نتيجة لتفاعل سلسلة الانشطار ، يتشكل اليورانيوم. تفاعلات الانشطار النووي وتفاعلات الانشطار المتسلسل

درس الفيزياء في الصف التاسع

"انشطار نوى اليورانيوم. تفاعل تسلسلي"

الغرض من الدرس:لتعريف الطلاب بعملية انشطار النوى الذرية لليورانيوم ، آلية التفاعل المتسلسل.

مهام:

التعليمية:

لدراسة آلية الانشطار النووي لليورانيوم 235 ؛ إدخال مفهوم الكتلة الحرجة ؛ تحديد العوامل التي تحدد مسار سلسلة من ردود الفعل.

التعليمية:

لجعل الطلاب يفهمون أهمية الاكتشافات العلمية وذاك الخطر الذي يمكن أن يأتي من الإنجازات العلمية مع موقف طائش أو أمي أو غير أخلاقي تجاهها.

تطوير:

تنمية التفكير المنطقي. تطوير المونولوج والخطاب الحواري ؛ تنمية العمليات الذهنية لدى الطلاب: التحليل والمقارنة والتعلم. تشكيل فكرة سلامة صورة العالم

نوع الدرس:درس التعلم.

الكفاءات التي يهدف الدرس إلى تكوينها:

قيمة الدلالية - القدرة على رؤية وفهم العالم من حولك ،

الثقافة العامة - إتقان الصورة العلمية للعالم من قبل الطالب ،

التعليمية والمعرفية - القدرة على التمييز بين الحقائق والتخمينات ،

التواصلي - مهارات العمل في مجموعة ، وامتلاك أدوار اجتماعية مختلفة في فريق ،

كفاءات الشخصية في تحسين الذات - ثقافة التفكير والسلوك

مسار الدرس: 1. اللحظة التنظيمية.

لقد حان درس جديد. سوف أبتسم لك وسوف تبتسم لبعضكما البعض. وفكر: كم هو جيد أننا جميعًا هنا معًا اليوم. نحن متواضعون ولطيفون وودودون وحنون. نحن جميعا بصحة جيدة. - استنشق بعمق وازفر. زفر استياء الأمس والغضب والقلق. أتمنى لنا جميعا درسا جيدا .

2. فحص الواجبات المنزلية.

اختبار.

1. ما هي تكلفة النواة؟

1) موجب 2) سالب 3) النواة ليس لها شحنة

2. ما هو جسيم ألفا؟

1) الإلكترون 2) نواة ذرة الهليوم

3) الإشعاع الكهرومغناطيسي

3. كم عدد البروتونات والنيوترونات التي تحتويها نواة ذرة البريليوم؟

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

4. نواة أي عنصر كيميائي يتكون أثناء اضمحلال الراديوم α؟

رع →؟ + هو.

1) الرادون 2) اليورانيوم 3) الفرميوم

5. كتلة النواة هي دائما ... مجموع كتل النكليونات التي تتكون منها.

1) أكبر من 2) يساوي 3) أقل

6. النيوترون جسيم

1) لها شحنة +1 ، كتلة ذرية 1 ؛

2) وجود تهمة - 1 ، الكتلة الذرية 0 ؛

3) لها شحنة تساوي 0 ، كتلة ذرية تساوي 1.

7. تحديد الناتج الثاني للتفاعل النووي

الإجابات: الخيار 1. 1) 1 ؛ 2) 2 ؛ 3) 3 ؛ 4) 1 ؛ 5) 3 ؛ 6) 3 ؛ 7) 3.

8. كيف تتفاعل البروتونات كهربائيا مع بعضها في النواة؟

9. ما هو عيب الكتلة؟ اكتب الصيغة.

10. ما هي طاقة الرابطة؟ اكتب الصيغة.

تعلم مواد جديدة.

علمنا مؤخرًا أن بعض العناصر الكيميائية يتم تحويلها إلى عناصر كيميائية أخرى أثناء التحلل الإشعاعي. وماذا تعتقد أنه سيحدث إذا تم توجيه بعض الجسيمات إلى نواة ذرة عنصر كيميائي معين ، حسنًا ، على سبيل المثال ، نيوترون في نواة اليورانيوم؟

في عام 1939 ، اكتشف العالمان الألمان أوتو هان وفريتز ستراسمان انشطار نوى اليورانيوم. وجدوا أنه عند قصف اليورانيوم بالنيوترونات ، تنشأ عناصر من الجزء الأوسط من النظام الدوري - نظائر الباريوم المشعة (Z = 56) ، والكريبتون (Z = 36) ، إلخ.

دعونا نفكر بمزيد من التفصيل في عملية انشطار نواة اليورانيوم أثناء القصف بواسطة نيوترون وفقًا للشكل. يتم امتصاص نيوترون يدخل نواة اليورانيوم بواسطته. النواة متحمسة وتبدأ في التشوه مثل قطرة سائل.

تدخل النواة حالة من الإثارة وتبدأ في التشوه. لماذا ينقسم القلب إلى جزأين؟ ما هي القوى التي تسبب الكسر؟

ما هي القوى المؤثرة داخل النواة؟

- كهرباء ونووية.

حسنًا ، كيف تظهر القوى الكهروستاتيكية نفسها؟

- تعمل القوى الكهروستاتيكية بين الجسيمات المشحونة. الجسيم المشحون في النواة هو البروتون. نظرًا لأن البروتون مشحون بشكل إيجابي ، فهذا يعني أن القوى الطاردة تعمل بينهما.

صحيح ، لكن كيف تعبر القوى النووية عن نفسها؟

- القوى النووية هي قوى الجذب بين جميع النوى.

إذن ، تحت تأثير أي قوى تنكسر النواة؟

– (إذا كانت هناك صعوبات ، أطرح أسئلة إرشادية وأوجه الطلاب إلى الاستنتاج الصحيح)تحت تأثير قوى التنافر الكهروستاتيكية ، يتمزق النواة إلى جزأين ، ينتشران في اتجاهات مختلفة ويصدران 2-3 نيوترون.

وهي تمتد حتى تبدأ قوى التنافر الكهربائية في التغلب على القوى النووية. تنقسم النواة إلى جزأين ، مطلقة نيوترونين أو ثلاثة. هذه هي تقنية انشطار نواة اليورانيوم.

تنتشر الشظايا بسرعة عالية جدًا. اتضح أن جزءًا من الطاقة الداخلية للنواة يتم تحويله إلى طاقة حركية لشظايا وجسيمات متطايرة. يتم إطلاق الشظايا في البيئة. ما رأيك يحدث لهم؟

- شظايا تتباطأ في البيئة.

حتى لا نخالف قانون الحفاظ على الطاقة ، يجب أن نقول ماذا سيحدث للطاقة الحركية؟

- يتم تحويل الطاقة الحركية للشظايا إلى طاقة داخلية للوسط.

هل من الممكن ملاحظة أن الطاقة الداخلية للوسط قد تغيرت؟

نعم ، البيئة آخذة في الاحماء.

ولكن هل سيتأثر التغيير في الطاقة الداخلية بعامل مشاركة عدد مختلف من نوى اليورانيوم في الانشطار؟

- بالطبع ، مع الانشطار المتزامن لعدد كبير من نوى اليورانيوم ، تزداد الطاقة الداخلية للبيئة المحيطة باليورانيوم.

من مسار الكيمياء ، أنت تعلم أن التفاعلات يمكن أن تحدث مع امتصاص الطاقة والإفراج. ماذا يمكننا أن نقول عن مسار تفاعل انشطار اليورانيوم؟

- يتزامن تفاعل انشطار نوى اليورانيوم مع إطلاق الطاقة في البيئة.

(الشريحة 13)

يوجد اليورانيوم في الطبيعة على شكل نظيرين: U (99.3٪) و U (0.7٪). في هذه الحالة ، يستمر تفاعل الانشطار U بشكل مكثف على النيوترونات البطيئة ، بينما تمتص نوى U ببساطة نيوترونًا ، ولا يحدث الانشطار. لذلك ، فإن الاهتمام الرئيسي هو تفاعل الانشطار لنواة U. في الوقت الحالي ، يُعرف حوالي 100 نظير مختلف بأعداد كتل من حوالي 90 إلى 145 ، ناشئة عن انشطار هذه النواة. هناك نوعان من تفاعلات الانشطار النموذجية لهذه النواة لها الشكل:

لاحظ أن الطاقة المنبعثة أثناء انشطار نوى اليورانيوم هائلة. على سبيل المثال ، مع الانشطار الكامل لجميع النوى الموجودة في 1 كجم من اليورانيوم ، يتم إطلاق نفس الطاقة كما هو الحال مع احتراق 3000 طن من الفحم. علاوة على ذلك ، يمكن إطلاق هذه الطاقة على الفور.

(الشريحة 14)

اكتشف ما سيحدث للشظايا كيف ستتصرف النيوترونات؟

في انشطار نواة يورانيوم -235 ، الذي يحدث نتيجة تصادم مع نيوترون ، يتم إطلاق 2 أو 3 نيوترونات. في ظل ظروف مواتية ، يمكن لهذه النيوترونات أن تضرب نوى يورانيوم أخرى وتتسبب في انشطارها. في هذه المرحلة ، سيظهر بالفعل من 4 إلى 9 نيوترونات ، قادرة على التسبب في تحلل جديد لنواة اليورانيوم ، وما إلى ذلك. تسمى هذه العملية الشبيهة بالانهيار الجليدي تفاعل تسلسلي. (إدخال دفتر الملاحظات: تفاعل نووي متسلسل- سلسلة من التفاعلات النووية ، كل منها ناتج عن جسيم ظهر كمنتج تفاعل في الخطوة السابقة من التسلسل). سيتم النظر في مخطط تطوير التفاعل المتسلسل لانشطار نواة اليورانيوم بمزيد من التفصيل في مقطع الفيديو بالحركة البطيئة لمزيد من الدراسة التفصيلية

نرى أن العدد الإجمالي للنيوترونات الحرة في قطعة من اليورانيوم يزداد مثل الانهيار الجليدي مع مرور الوقت. إلى ماذا يمكن أن يؤدي هذا؟

- للانفجار.

لماذا ا؟

- يزداد عدد الانشطار النووي ، وبالتالي الطاقة المنبعثة لكل وحدة زمنية.

ولكن بعد كل شيء ، هناك خيار آخر ممكن أيضًا ، حيث يتناقص عدد النيوترونات الحرة بمرور الوقت ، ولا تلتقي النواة بالنيوترون في طريقها. في هذه الحالة ماذا يحدث لرد الفعل المتسلسل؟

- سيتوقف.

هل يمكن استخدام طاقة هذه التفاعلات للأغراض السلمية؟

كيف يجب أن يستمر رد الفعل؟

يجب أن يستمر التفاعل بطريقة تجعل عدد النيوترونات ثابتًا بمرور الوقت.

كيف يمكن التأكد من أن عدد النيوترونات يظل ثابتًا طوال الوقت؟

– (اقتراحات شباب)

لحل هذه المشكلة ، من الضروري معرفة العوامل التي تؤثر على الزيادة والنقصان في العدد الإجمالي للنيوترونات الحرة في قطعة من اليورانيوم التي يحدث فيها تفاعل متسلسل.

(الشريحة 15)

واحد من هذه العوامل كتلة اليورانيوم . الحقيقة هي أنه ليس كل نيوترون ينبعث أثناء الانشطار النووي يسبب انشطار نوى أخرى. إذا كانت كتلة (وبالتالي أبعاد) قطعة من اليورانيوم صغيرة جدًا ، فإن العديد من النيوترونات ستخرج منها ، وليس لديها وقت للالتقاء بالنواة في طريقها ، مما يتسبب في انشطارها وبالتالي توليد جيل جديد من النيوترونات اللازمة لمواصلة التفاعل. في هذه الحالة ، سيتوقف التفاعل المتسلسل. لكي يستمر التفاعل ، من الضروري زيادة كتلة اليورانيوم إلى قيمة معينة تسمى حرج.

لماذا يصبح التفاعل المتسلسل ممكنًا مع زيادة الكتلة؟

لحدوث تفاعل متسلسل ، من الضروري أن يسمى عامل الضربكانت النيوترونات أكبر من واحد. بمعنى آخر ، يجب أن يكون هناك عدد أكبر من النيوترونات في كل جيل لاحق مقارنة بالجيل السابق. يتم تحديد عامل الضرب ليس فقط من خلال عدد النيوترونات المنتجة في كل حدث أولي ، ولكن أيضًا من خلال الظروف التي يستمر في ظلها التفاعل - يمكن امتصاص بعض النيوترونات بواسطة نوى أخرى أو مغادرة منطقة التفاعل. يمكن للنيوترونات المنبعثة أثناء انشطار نوى اليورانيوم 235 أن تسبب فقط انشطار نوى نفس اليورانيوم ، والذي يمثل 0.7٪ فقط من اليورانيوم الطبيعي. هذا التركيز غير كافٍ لبدء تفاعل متسلسل. يمكن لنظير U أيضًا امتصاص النيوترونات ، ولكن لا يحدث تفاعل متسلسل.

(إدخال دفتر الملاحظات: عامل تكاثر النيوتروناتك - نسبة عدد النيوترونات من الجيل التالي إلى العدد في الجيل السابق في الحجم الكامل للنيوترونات المتوسطة المضاعفة)

يمكن أن يحدث تفاعل متسلسل في اليورانيوم المحتوي على نسبة عالية من اليورانيوم -235 فقط عندما تتجاوز كتلة اليورانيوم الكتلة الحرجة المزعومة. في قطع صغيرة من اليورانيوم ، تتطاير معظم النيوترونات ، دون أن تصطدم بأي نواة. بالنسبة لليورانيوم النقي 235 ، تبلغ الكتلة الحرجة حوالي 50 كجم.

(إدخال دفتر الملاحظات: الكتلة الحرجة- الحد الأدنى من المواد الانشطارية المطلوبة لبدء تفاعل تسلسلي انشطاري مستدام ذاتيًا).

(الشريحة 16)

يمكن تقليل الكتلة الحرجة لليورانيوم عدة مرات باستخدام ما يسمى بمعدلات النيوترونات. الحقيقة هي أن النيوترونات التي يتم إنتاجها أثناء اضمحلال نوى اليورانيوم لها سرعات عالية جدًا ، واحتمال التقاط نوى اليورانيوم 235 للنيوترونات البطيئة أكبر بمئات المرات من النوى السريعة. أفضل وسيط نيوتروني هو الماء الثقيل H 2 O. عند التفاعل مع النيوترونات ، يتحول الماء العادي نفسه إلى ماء ثقيل.

الوسيط الجيد أيضًا هو الجرافيت ، الذي لا تمتص نواته النيوترونات. أثناء التفاعل المرن مع الديوتيريوم أو نوى الكربون ، تبطئ النيوترونات حركتها.

يتيح استخدام وسيط النيوترونات وقشرة البريليوم الخاصة التي تعكس النيوترونات تقليل الكتلة الحرجة إلى 250 جم (0.25 كجم).

إدخال دفتر الملاحظات:

يمكن تقليل الكتلة الحرجة إذا:

استخدام مثبطات (الجرافيت والمياه العادية والثقيلة)

غلاف عاكس (البريليوم)).

وفي القنابل الذرية ، يحدث تفاعل نووي متسلسل غير متحكم فيه عندما يتم دمج قطعتين من اليورانيوم -235 بسرعة ، ولكل منهما كتلة أقل قليلاً من الكتلة الحرجة.

القنبلة الذرية سلاح رهيب. العوامل المؤذية منها: 1) إشعاع الضوء (بما في ذلك الأشعة السينية والإشعاع الحراري هنا). 2) موجة الصدمة. 3) التلوث الإشعاعي للمنطقة. لكن انشطار نوى اليورانيوم يستخدم أيضًا للأغراض السلمية - وهذا في المفاعلات النووية في محطات الطاقة النووية. سننظر في العمليات التي تحدث في هذه الحالات في الدرس التالي.

يتم تعريف منتصف القرن العشرين من خلال تسارع العلم: تسارع رائع ، وإدخال الإنجازات العلمية في الإنتاج وفي حياتنا. كل هذا يجعلنا نفكر - ماذا سيعطينا العلم غدًا؟
للتخفيف من كل مصاعب الوجود البشري - هذا هو الهدف الرئيسي لعلم تقدمي حقًا. لجعل الإنسانية أكثر سعادة - ليس واحدًا ، ولا اثنان ، بل الإنسانية. وهذا مهم جدًا ، لأنه ، كما تعلم ، يمكن للعلم أيضًا أن يعمل ضد أي شخص. الانفجار الذري في المدن اليابانية - هيروشيما وناجازاكي هو مثال مأساوي على ذلك.

إذن ، 1945 ، أغسطس. الحرب العالمية الثانية تقترب من نهايتها.

(الشريحة 2)

في 6 أغسطس ، الساعة 1:45 صباحًا ، أقلعت قاذفة أمريكية من طراز B-29 ، بقيادة العقيد بول تيبتس ، من جزيرة على بعد حوالي 6 ساعات من هيروشيما.

(الشريحة 3)

هيروشيما بعد الانفجار الذري.

ظل الذي يتجول هناك خفيا ،
هل أنت أعمى من سوء الحظ؟
هذه هيروشيما تبكي
سحب الرماد.
الذي يوجد صوته في الظلام الحار
هل سمعت مسعورة؟
هذا ناغازاكي يبكي
على الأرض المحروقة
في هذا البكاء والنحيب
لا يوجد باطل
العالم كله متجمد تحسبا -
من سيبكي بعد ذلك؟

(الشريحة 4)

وتراوح عدد القتلى جراء الأثر المباشر للانفجار بين 70 و 80 ألف شخص. بحلول نهاية عام 1945 ، وبسبب آثار التلوث الإشعاعي وآثار ما بعد الانفجار الأخرى ، تراوح العدد الإجمالي للقتلى من 90 إلى 166 ألف شخص. بعد 5 سنوات ، وصل إجمالي عدد القتلى إلى 200000 شخص.

(الشريحة 5)

في 6 أغسطس ، بعد تلقي نبأ نجاح القصف الذري لهيروشيما ، أعلن الرئيس الأمريكي ترومان ذلك

"نحن الآن على استعداد لتدمير ، بشكل أسرع وبشكل كامل من ذي قبل ، جميع مرافق الإنتاج البرية اليابانية في أي مدينة. سوف ندمر أرصفةهم ومصانعهم واتصالاتهم. يجب ألا يكون هناك سوء تفاهم - سوف ندمر بالكامل قدرة اليابان على شن الحرب ".

(الشريحة 6)

في الساعة 2:47 يوم 9 أغسطس ، أقلعت قاذفة أمريكية من طراز B-29 تحت قيادة رائد ، تحمل قنبلة ذرية على متنها ، من الجزيرة. في الساعة 10:56 وصلت طائرة B-29 إلى ناغازاكي. وقع الانفجار فى الساعة 11:02 بالتوقيت المحلى.

(الشريحة 7)

تراوحت حصيلة القتلى بحلول نهاية عام 1945 بين 60 و 80 ألف شخص. بعد 5 سنوات ، يمكن أن يصل إجمالي عدد القتلى ، بما في ذلك الوفيات الناجمة عن السرطان وغيره من الآثار طويلة المدى للانفجار ، إلى 140 ألف شخص أو حتى تجاوزه.

هذه هي القصة الحزينة والمحذرة

كل إنسان ليس جزيرة ،

كل شخص جزء من قارة كبيرة.
ولا تسأل عن من تدق الأجراس.
ينادي لك ...

الدمج.

ماذا تعلمنا في الفصل اليوم؟ (مع آلية انشطار نوى اليورانيوم ، مع تفاعل متسلسل)

ما هي شروط حدوث تفاعل متسلسل؟

ما هي الكتلة الحرجة؟

ما هو عامل الضرب؟

ما هو الوسيط النيوتروني؟

انعكاس.

في أي مزاج تترك الدرس؟

تقييم.

الواجب المنزلي: ص 74.75 ، أسئلة ص 252-253

تفاعل نووي متسلسل. نتيجة للتجارب التي أجريت على تشعيع اليورانيوم بالنيوترونات ، وجد أنه تحت تأثير النيوترونات ، تنقسم نوى اليورانيوم إلى نواتين (شظايا) نصف الكتلة والشحنة تقريبًا ؛ هذه العملية مصحوبة بانبعاث عدة نيوترونات (اثنان أو ثلاثة) (الشكل 402). بالإضافة إلى اليورانيوم ، فإن بعض العناصر الأخرى من بين العناصر الأخيرة في النظام الدوري لمندليف قادرة على الانشطار. هذه العناصر ، مثل اليورانيوم ، الانشطار ليس فقط تحت تأثير النيوترونات ، ولكن أيضًا بدون تأثيرات خارجية (تلقائيًا). تم إنشاء الانشطار التلقائي بشكل تجريبي من قبل الفيزيائيين السوفييت ك.أ. بترزاك وجورجي نيكولايفيتش فليروف (مواليد 1913) في عام 1940. إنها عملية نادرة للغاية. لذلك ، في 1 جرام من اليورانيوم ، يحدث حوالي 20 انشطارًا تلقائيًا فقط في الساعة.

أرز. 402. انشطار نواة اليورانيوم تحت تأثير النيوترونات: أ) تلتقط النواة نيوترونًا. ب) يتسبب تأثير النيوترون على النواة في تأرجح الأخيرة ؛ ج) تنقسم النواة إلى جزأين ؛ تنبعث المزيد من النيوترونات.

بسبب التنافر الكهروستاتيكي المتبادل ، تنتشر شظايا الانشطار في اتجاهين متعاكسين ، وتكتسب طاقة حركية ضخمة (حوالي). وهكذا يحدث تفاعل الانشطار مع إطلاق كبير للطاقة. تعمل الشظايا سريعة الحركة على تأين ذرات الوسط بشكل مكثف. تُستخدم خاصية الشظايا هذه للكشف عن عمليات الانشطار باستخدام غرفة التأين أو غرفة السحب. تظهر في الشكل صورة آثار شظايا انشطار في غرفة سحابية. 403- من الأهمية بمكان أن تكون النيوترونات المنبعثة أثناء انشطار نواة اليورانيوم (ما يسمى نيوترونات الانشطار الثانوي) قادرة على التسبب في انشطار نوى يورانيوم جديدة. بفضل هذا ، من الممكن إجراء تفاعل تسلسلي انشطاري: بمجرد ظهوره ، يمكن أن يستمر التفاعل ، من حيث المبدأ ، من تلقاء نفسه ، ويغطي عددًا متزايدًا من النوى. يظهر مخطط تطوير تفاعل الخلية المتنامي في الشكل. 404.

أرز. 403. صور آثار شظايا انقسام اليورانيوم في غرفة سحابية: شظايا () مبعثرة في اتجاهين متعاكسين من طبقة رقيقة من اليورانيوم المترسبة على صفيحة تسد الغرفة. تُظهر الصورة أيضًا العديد من الآثار الرقيقة التي تنتمي إلى البروتونات التي أخرجتها النيوترونات من جزيئات السيارة المائية الموجودة في الغرفة.

إن إجراء تفاعل تسلسلي انشطاري ليس بالأمر السهل من الناحية العملية ؛ تظهر التجربة أنه في كتلة اليورانيوم الطبيعي لا يحدث تفاعل متسلسل. والسبب في ذلك يكمن في فقدان النيوترونات الثانوية. في اليورانيوم الطبيعي ، تكون معظم النيوترونات خارج اللعبة دون التسبب في الانشطار. كما كشفت الدراسات ، يحدث فقدان النيوترونات في أكثر نظائر اليورانيوم شيوعًا - اليورانيوم - 238 (). يمتص هذا النظير النيوترونات بسهولة في تفاعل مشابه لتفاعل الفضة مع النيوترونات (انظر الفقرة 222) ؛ ينتج عن هذا نظيرًا مشعًا صناعيًا. إنه ينقسم بصعوبة وفقط تحت تأثير النيوترونات السريعة.

يتمتع النظير الموجود في اليورانيوم الطبيعي بكمية بخصائص أكثر نجاحًا للتفاعل المتسلسل. وهي مقسمة تحت تأثير النيوترونات من أي طاقة - سريعة وبطيئة ، وكلما كانت طاقة النيوترونات منخفضة. العملية المتنافسة مع الانشطار - الامتصاص البسيط للنيوترونات - غير مرجح على عكس. لذلك ، في اليورانيوم النقي 235 ، يمكن حدوث تفاعل تسلسلي انشطاري ، بشرط أن تكون كتلة اليورانيوم 235 كبيرة بدرجة كافية. في اليورانيوم منخفض الكتلة ، ينتهي التفاعل الانشطاري بسبب انبعاث نيوترونات ثانوية خارج مادته.

أرز. 404- تطوير تفاعل انشطاري قيم: من المقبول بشروط أن ينبعث نيوترونان أثناء الانشطار النووي ولا توجد خسائر للنيوترونات ، أي كل نيوترون يسبب انشطار جديد. دوائر - شظايا انشطار ، أسهم - نيوترونات انشطار

في الواقع ، نظرًا للحجم الصغير لنواة الذرة ، يسافر النيوترون مسافة طويلة في المادة (تقاس بالسنتيمترات) قبل أن يصطدم بنواة عرضًا. إذا كانت أبعاد الجسم صغيرة ، فإن احتمال حدوث تصادم في الطريق إلى المخرج صغير. تطير جميع نيوترونات الانشطار الثانوي تقريبًا عبر سطح الجسم دون التسبب في انشقاقات جديدة ، أي دون استمرار التفاعل.

من جسم ذي أبعاد كبيرة ، تتشكل النيوترونات بشكل أساسي في الطبقة السطحية التي تطير للخارج. النيوترونات المتكونة داخل الجسم لها سماكة كافية من اليورانيوم أمامها وتتسبب في الغالب في انشقاقات جديدة ، مما يؤدي إلى استمرار التفاعل (الشكل 405). كلما زادت كتلة اليورانيوم ، كلما صغر جزء الحجم من الطبقة السطحية ، والتي فقدت منها العديد من النيوترونات ، وكانت الظروف أكثر ملاءمة لتطوير تفاعل متسلسل.

أرز. 405. تطوير تفاعل سلسلة الانشطار في. أ) في كتلة صغيرة ، تطير معظم نيوترونات الانشطار. ب) في كتلة كبيرة من اليورانيوم ، تتسبب العديد من نيوترونات الانشطار في انشطار نوى جديدة ؛ عدد الانقسامات يزداد من جيل إلى جيل. الدوائر - شظايا الانشطار ، الأسهم - نيوترونات الانشطار

من خلال زيادة الكمية تدريجيًا ، سنصل إلى الكتلة الحرجة ، أي أصغر كتلة ، بدءًا من إمكانية حدوث تفاعل سلسلة الانشطار المستمر. مع زيادة أخرى في الكتلة ، سيبدأ التفاعل في التطور بسرعة (سيبدأ عن طريق الانشطار التلقائي). عندما تنخفض الكتلة إلى ما دون القيمة الحرجة ، يتحلل التفاعل.

لذلك ، يمكنك تنفيذ سلسلة تفاعل الانشطار. إذا كان لديك ما يكفي من الطاهرة ، انفصلت عن.

كما رأينا في §202 ، يعتبر فصل النظائر عملية معقدة ومكلفة ، لكنها لا تزال ممكنة. في الواقع ، كان الاستخراج من اليورانيوم الطبيعي أحد الطرق التي تم بها تطبيق تفاعل سلسلة الانشطار.

إلى جانب ذلك ، تم تحقيق التفاعل المتسلسل بطريقة أخرى ، والتي لم تتطلب فصل نظائر اليورانيوم. هذه الطريقة أكثر تعقيدًا إلى حد ما من حيث المبدأ ، ولكنها أسهل في التنفيذ. يستخدم إبطاء النيوترونات الانشطارية الثانوية السريعة إلى سرعات الحركة الحرارية. لقد رأينا أنه في اليورانيوم الطبيعي ، يتم امتصاص النيوترونات الثانوية المباشرة بشكل أساسي بواسطة النظير. بما أن الامتصاص لا يؤدي إلى الانشطار ، ينتهي التفاعل. تظهر القياسات أنه عندما تتباطأ النيوترونات إلى السرعات الحرارية ، تزداد قوة الامتصاص أكثر من قوة الامتصاص. إن امتصاص النظائر للنيوترونات ، مما يؤدي إلى الانشطار ، له اليد العليا. لذلك ، إذا تم إبطاء النيوترونات الانشطارية ، ومنع امتصاصها ، فإن التفاعل المتسلسل يصبح ممكنًا مع اليورانيوم الطبيعي.

أرز. 406. نظام من اليورانيوم الطبيعي ومُهدِئ يمكن أن يتطور فيه تفاعل تسلسلي انشطاري

في الممارسة العملية ، يتم تحقيق هذه النتيجة عن طريق وضع قضبان مداخن من اليورانيوم الطبيعي في شكل شبكة شعرية نادرة في الوسيط (الشكل 406). يتم استخدام المواد ذات الكتلة الذرية المنخفضة والنيوترونات التي تمتص بشكل ضعيف كمواد وسيطة. الوسطاء الجيدون هم الجرافيت والماء الثقيل والبريليوم.

دع انشطار نواة اليورانيوم يحدث في أحد القضبان. نظرًا لأن القضيب رقيق نسبيًا ، فإن النيوترونات الثانوية السريعة ستطير كلها تقريبًا إلى الوسيط. نادرًا ما توجد القضبان في الشبكة. قبل الاصطدام بالقضيب الجديد ، يتعرض النيوترون المنبعث للعديد من التصادمات مع نوى الوسيط ويتباطأ مع سرعة الحركة الحرارية (الشكل 407). بعد أن اصطدم بعد ذلك بقضيب اليورانيوم ، من المرجح أن يتم امتصاص النيوترون ويسبب انشطارًا جديدًا ، وبالتالي يستمر التفاعل. تم تنفيذ تفاعل الانشطار المتسلسل لأول مرة في الولايات المتحدة في عام 1942. مجموعة من العلماء بقيادة الفيزيائي الإيطالي إنريكو فيرمي (1901-1954) في نظام من اليورانيوم الطبيعي. تم تنفيذ هذه العملية بشكل مستقل في الاتحاد السوفياتي في عام 1946. الأكاديمي إيغور فاسيليفيتش كورتشاتوف (1903-1960) مع موظفين.

أرز. 407- تطوير تفاعل انشطاري قيِّم في نظام من اليورانيوم الطبيعي ومعدِّل. يضرب نيوترون سريع ، يطير من قضيب رفيع ، الوسيط ويبطئ سرعته. مرة أخرى في اليورانيوم ، من المرجح أن يتم امتصاص النيوترون البطيء ، مما يتسبب في الانشطار (الرمز: دائرتان أبيضتان). يتم امتصاص بعض النيوترونات دون التسبب في انشطار (الرمز: دائرة سوداء)

الغرض: تكوين فهم الطلاب لانشطار نوى اليورانيوم.

تحقق من المواد التي سبق دراستها ؛
النظر في آلية انشطار نواة اليورانيوم ؛
النظر في حالة حدوث تفاعل متسلسل ؛
اكتشف العوامل التي تؤثر على مسار سلسلة من ردود الفعل ؛
تطوير الكلام والتفكير لدى الطلاب ؛
تطوير القدرة على التحليل والتحكم وتعديل الأنشطة الخاصة بهم في غضون وقت معين.

المعدات: الكمبيوتر ، نظام الإسقاط ، المواد التعليمية (اختبار "تكوين النواة") ، الأقراص "الدورة التفاعلية. الفيزياء 7-11kl ”(Fizikon) و“ 1C-repeater. الفيزياء "(1 ج).

تقدم الدرس

I. لحظة تنظيمية (2 ').

تحياتي ، إعلان خطة الدرس.

ثانيًا. تكرار مادة سبق دراستها (8 ').

العمل المستقل للطلاب - إجراء اختبار ( المرفقات 1 ). في الاختبار ، يجب أن تشير إلى إجابة واحدة صحيحة.

ثالثا. تعلم مادة جديدة (25 بوصة). تدوين الملاحظات أثناء الدرس(التطبيق 2 ).

دعنا نتحقق من افتراضاتك (العمل مع النموذج التفاعلي "الانشطار النووي""دورة تفاعلية. الفيزياء 7-11 كيلو لتر " ).

ماذا كانت النتيجة؟

- عندما يصطدم نيوترون بنواة اليورانيوم ، نرى أنه نتيجة لذلك يتم تكوين جزأين و2-3 نيوترون.

تم الحصول على نفس التأثير في عام 1939 من قبل العلماء الألمان أوتو هان وفريتز ستراسمان. ووجدوا أنه نتيجة لتفاعل النيوترونات مع نوى اليورانيوم ، تظهر نوى شظية مشعة ، وتشكل كتلها وشحناتها ما يقرب من نصف الخصائص المقابلة لنواة اليورانيوم. الانشطار النووي الذي يحدث بهذه الطريقة يسمى الانشطار القسري ، على عكس الانشطار التلقائي الذي يحدث أثناء التحولات الإشعاعية الطبيعية.

تدخل النواة حالة من الإثارة وتبدأ في التشوه. لماذا ينقسم القلب إلى جزأين؟ ما هي القوى التي تسبب الكسر؟

ما هي القوى المؤثرة داخل النواة؟

- كهرباء ونووية.

حسنًا ، كيف تظهر القوى الكهروستاتيكية نفسها؟

صحيح ، لكن كيف تعبر القوى النووية عن نفسها؟

- القوى النووية هي قوى الجذب بين جميع النوى.

إذن ، تحت تأثير أي قوى تنكسر النواة؟

- (في حالة وجود أي صعوبات ، أطرح أسئلة توجيهية وأرشد الطلاب إلى الاستنتاج الصحيح) تحت تأثير قوى التنافر الكهروستاتيكية ، تنقسم النواة إلى جزأين ، يتشتتان في اتجاهات مختلفة ويصدران 2-3 نيوترون.

- شظايا تتباطأ في البيئة.

حتى لا نخالف قانون الحفاظ على الطاقة ، يجب أن نقول ماذا سيحدث للطاقة الحركية؟

- يتم تحويل الطاقة الحركية للشظايا إلى طاقة داخلية للوسط.

هل من الممكن ملاحظة أن الطاقة الداخلية للوسط قد تغيرت؟

نعم ، البيئة آخذة في الاحماء.

ولكن هل سيتأثر التغيير في الطاقة الداخلية بعامل مشاركة عدد مختلف من نوى اليورانيوم في الانشطار؟

- يتزامن تفاعل انشطار نوى اليورانيوم مع إطلاق الطاقة في البيئة.

الطاقة الموجودة في نوى الذرات هائلة. على سبيل المثال ، مع الانشطار الكامل لجميع النوى الموجودة في 1 جرام من اليورانيوم ، سيتم إطلاق نفس كمية الطاقة التي يتم إطلاقها أثناء احتراق 2.5 طن من النفط. اكتشف ما سيحدث للشظايا كيف ستتصرف النيوترونات؟

– (أستمع إلى افتراضات الطلاب ، والتحقق من الافتراضات ، والعمل مع النموذج التفاعلي "Chain Reaction""مكرر 1C. الفيزياء" ).

صحيح أن النيوترونات في طريقها يمكن أن تلتقي بنواة اليورانيوم وتسبب الانشطار. يسمى هذا التفاعل تفاعلًا متسلسلًا.

إذن ، ما هو الشرط لحدوث تفاعل متسلسل؟

- من الممكن حدوث تفاعل متسلسل بسبب حقيقة أنه أثناء انشطار كل نواة ، يتم تكوين 2-3 نيوترون ، والتي يمكن أن تشارك في انشطار نوى أخرى.

- للانفجار.

- يزداد عدد الانشطار النووي ، وبالتالي الطاقة المنبعثة لكل وحدة زمنية.

- سيتوقف.

هل يمكن استخدام طاقة هذه التفاعلات للأغراض السلمية؟

كيف يجب أن يستمر رد الفعل؟

يجب أن يستمر التفاعل بطريقة تجعل عدد النيوترونات ثابتًا بمرور الوقت.

كيف يمكن التأكد من أن عدد النيوترونات يظل ثابتًا طوال الوقت؟

- (اقتراحات اطفال)

واحد من هذه العوامل كتلة اليورانيوم . الحقيقة هي أنه ليس كل نيوترون ينبعث أثناء الانشطار النووي يسبب انشطار نوى أخرى. إذا كانت كتلة (وبالتالي حجم) قطعة من اليورانيوم صغيرة جدًا ، فإن العديد من النيوترونات ستخرج منها ، وليس لديها وقت للقاء النواة في طريقها ، مما يتسبب في انشطارها وبالتالي توليد جيل جديد من النيوترونات اللازمة لمواصلة التفاعل. في هذه الحالة ، سيتوقف التفاعل المتسلسل. لكي يستمر التفاعل ، من الضروري زيادة كتلة اليورانيوم إلى قيمة معينة تسمى حرج.

لماذا يصبح التفاعل المتسلسل ممكنًا مع زيادة الكتلة؟

- كلما زادت كتلة القطعة ، زاد احتمال لقاء النيوترونات مع النوى. وفقًا لذلك ، يزداد عدد الانشطار النووي وعدد النيوترونات المنبعثة.

عند ما يسمى بالكتلة الحرجة لليورانيوم ، يصبح عدد النيوترونات التي ظهرت أثناء انشطار النوى مساويًا لعدد النيوترونات المفقودة (أي ، تم التقاطها بواسطة النوى بدون انشطار وطيران خارج القطعة).

لذلك ، يبقى عددهم الإجمالي دون تغيير. في هذه الحالة ، يمكن أن يستمر التفاعل المتسلسل لفترة طويلة ، دون توقف ودون اكتساب طابع متفجر.

تسمى أصغر كتلة من اليورانيوم يمكن عندها تفاعل متسلسل الكتلة الحرجة.

كيف سيستمر التفاعل إذا كانت كتلة اليورانيوم أكبر من الكتلة الحرجة؟

- نتيجة للزيادة الحادة في عدد النيوترونات الحرة ، يؤدي التفاعل المتسلسل إلى انفجار.

ماذا لو كانت أقل خطورة؟

لا يستمر التفاعل بسبب نقص النيوترونات الحرة.

من الممكن الحد من فقدان النيوترونات (التي تخرج من اليورانيوم دون التفاعل مع النوى) ليس فقط عن طريق زيادة كتلة اليورانيوم ، ولكن أيضًا باستخدام عنصر خاص. قذيفة عاكسة . للقيام بذلك ، يتم وضع قطعة من اليورانيوم في غلاف مصنوع من مادة تعكس النيوترونات جيدًا (على سبيل المثال ، البريليوم). تنعكس النيوترونات من هذه القشرة ، وتعود إلى اليورانيوم ويمكن أن تشارك في الانشطار النووي.

بالإضافة إلى الكتلة ووجود غلاف عاكس ، هناك العديد من العوامل الأخرى التي تعتمد عليها إمكانية حدوث تفاعل متسلسل. على سبيل المثال إذا قطعة من اليورانيوم يحتوي على كثير جدا الشوائب العناصر الكيميائية الأخرى ، تمتص معظم النيوترونات ويتوقف التفاعل.

العامل الآخر الذي يؤثر على مسار التفاعل هو التوفر في ما يسمى اليورانيوم وسيط النيوترون . الحقيقة هي أن نوى اليورانيوم 235 هي الأكثر احتمالا للانشطار تحت تأثير النيوترونات البطيئة. ينتج الانشطار النووي نيوترونات سريعة. إذا تم إبطاء النيوترونات السريعة ، فسيتم التقاط معظمها بواسطة نوى اليورانيوم 235 مع الانشطار اللاحق لهذه النوى ؛ يتم استخدام مواد مثل الجرافيت والموقد والماء الثقيل وبعض المواد الأخرى كمواد وسيطة. هذه المواد تؤدي فقط إلى إبطاء النيوترونات ، تقريبًا دون امتصاصها.

إذن ، ما هي العوامل الرئيسية التي يمكن أن تؤثر على مسار التفاعل المتسلسل؟

- يتم تحديد إمكانية حدوث تفاعل متسلسل بواسطة كتلة اليورانيوم وكمية الشوائب فيه ووجود غلاف ومهدئ.

تبلغ الكتلة الحرجة لقطعة كروية من اليورانيوم -235 حوالي 50 كجم. في الوقت نفسه ، يبلغ نصف قطرها 9 سم فقط ، لأن اليورانيوم ذو كثافة عالية جدًا.

باستخدام وسيط وقشرة عاكسة ، وعن طريق تقليل كمية الشوائب ، من الممكن تقليل الكتلة الحرجة لليورانيوم إلى 0.8 كجم.

الانشطار النووي هو انقسام ذرة ثقيلة إلى جزأين متساويتين تقريبًا في الكتلة ، مصحوبًا بإطلاق كمية كبيرة من الطاقة.

بدأ اكتشاف الانشطار النووي حقبة جديدة - "العصر الذري". إن إمكانية استخدامه المحتمل ونسبة المخاطرة للاستفادة من استخدامه لم تولد فقط العديد من الإنجازات الاجتماعية والسياسية والاقتصادية والعلمية ، ولكن أيضًا مشاكل خطيرة. حتى من وجهة نظر علمية بحتة ، خلقت عملية الانشطار النووي عددًا كبيرًا من الألغاز والمضاعفات ، وتفسيرها النظري الكامل هو مسألة مستقبلية.

المشاركة مربحة

تختلف طاقات الربط (لكل نواة) باختلاف النوى. الأثقل لها طاقات ربط أقل من تلك الموجودة في منتصف الجدول الدوري.

وهذا يعني أنه بالنسبة للنواة الثقيلة التي يزيد عددها الذري عن 100 ، يكون من المفيد التقسيم إلى جزأين أصغر ، وبالتالي إطلاق الطاقة ، والتي يتم تحويلها إلى الطاقة الحركية للشظايا. هذه العملية تسمى الانقسام

وفقًا لمنحنى الثبات ، الذي يوضح اعتماد عدد البروتونات على عدد النيوترونات للنويدات المستقرة ، تفضل النوى الأثقل عددًا أكبر من النيوترونات (مقارنة بعدد البروتونات) على النوى الأخف. يشير هذا إلى أنه جنبًا إلى جنب مع عملية الانقسام ، ستنبعث بعض النيوترونات "الاحتياطية". بالإضافة إلى ذلك ، سوف يأخذون أيضًا بعض الطاقة المحررة. أظهرت دراسة الانشطار النووي لذرة اليورانيوم إطلاق 3-4 نيوترونات: 238 U → 145 La + 90 Br + 3n.

العدد الذري (والكتلة الذرية) للجزء لا يساوي نصف الكتلة الذرية للجزء الأصل. عادة ما يكون الفرق بين كتل الذرات المتكونة نتيجة للانقسام حوالي 50 ذرة. صحيح أن سبب ذلك ليس واضحًا تمامًا بعد.

طاقات الربط لـ 238 U و 145 La و 90 Br هي 1803 و 1198 و 763 ميغا إلكترون فولت على التوالي. هذا يعني أنه نتيجة لهذا التفاعل ، يتم إطلاق الطاقة الانشطارية لنواة اليورانيوم ، والتي تساوي 1198 + 763-1803 = 158 إلكترون فولت.

الانقسام العفوي

عمليات الانقسام التلقائي معروفة في الطبيعة ، لكنها نادرة جدًا. يبلغ متوسط عمر هذه العملية حوالي 10 و 17 عامًا ، وعلى سبيل المثال ، يبلغ متوسط عمر تسوس ألفا لنفس النويدات المشعة حوالي 10 و 11 عامًا.

والسبب في ذلك هو أنه من أجل الانقسام إلى جزأين ، يجب أولاً أن يتم تشويه (شد) النواة إلى شكل بيضاوي ، ثم ، قبل الانقسام في النهاية إلى جزأين ، تشكل "رقبة" في المنتصف.

الحاجز المحتمل

في الحالة المشوهة ، تعمل قوتان في القلب. أحدهما هو زيادة الطاقة السطحية (يفسر التوتر السطحي لقطرة سائل شكله الكروي) ، والآخر هو تنافر كولوم بين شظايا الانشطار. معًا ينتجون حاجزًا محتملاً.

كما في حالة اضمحلال ألفا ، من أجل حدوث الانشطار التلقائي لنواة ذرة اليورانيوم ، يجب أن تتغلب الشظايا على هذا الحاجز باستخدام نفق الكم. يبلغ الحاجز حوالي 6 ميغا إلكترون فولت ، كما في حالة تحلل ألفا ، لكن احتمال حفر جسيم ألفا نفقًا أكبر بكثير من احتمال وجود ناتج انشطار ذري أثقل بكثير.

تقسيم قسري

على الأرجح هو الانشطار المستحث لنواة اليورانيوم. في هذه الحالة ، يتم تشعيع النواة الأم بالنيوترونات. إذا قام الوالد بامتصاصها ، فإنها تلتصق ، وتطلق طاقة ملزمة على شكل طاقة اهتزازية يمكن أن تتجاوز 6 MeV المطلوبة للتغلب على الحاجز المحتمل.

عندما تكون طاقة النيوترون الإضافي غير كافية للتغلب على الحاجز المحتمل ، يجب أن يكون للنيوترون الساقط الحد الأدنى من الطاقة الحركية من أجل أن يكون قادرًا على تحفيز انقسام الذرة. في حالة 238 يو ، تبلغ طاقة الارتباط للنيوترونات الإضافية حوالي 1 ميغا إلكترون فولت. وهذا يعني أن انشطار نواة اليورانيوم يتم تحريضه فقط بواسطة نيوترون ذي طاقة حركية أكبر من 1 إلكترون فولت. من ناحية أخرى ، فإن النظير 235 يو يحتوي على نيوترون واحد غير مزاوج. عندما تمتص النواة نواة إضافية ، فإنها تشكل زوجًا معها ، ونتيجة لهذا الاقتران ، تظهر طاقة ارتباط إضافية. هذا يكفي لإطلاق كمية الطاقة اللازمة للنواة للتغلب على الحاجز المحتمل ويحدث الانشطار النظيري عند الاصطدام بأي نيوترون.

تسوس بيتا

على الرغم من أن التفاعل الانشطاري يصدر ثلاثة أو أربعة نيوترونات ، إلا أن الأجزاء لا تزال تحتوي على نيوترونات أكثر من نظيراتها المتساوية المستقرة. هذا يعني أن أجزاء الانقسام غير مستقرة بشكل عام ضد تسوس بيتا.

على سبيل المثال ، عندما يتم انشطار اليورانيوم 238 يو ، يكون الأيزوبار المستقر مع A = 145 هو نيوديميوم 145 Nd ، مما يعني أن جزء اللانثانوم 145 La يتحلل في ثلاث خطوات ، في كل مرة ينبعث منها إلكترون ومضاد نيوترينو ، حتى يتم تكوين نوكليد مستقر . الأيزوبار المستقر مع A = 90 هو الزركونيوم 90 Zr ؛ لذلك ، يتحلل جزء الانقسام البروم 90 Br في خمس مراحل من سلسلة β-decay.

تُطلق سلاسل β-decay هذه طاقة إضافية ، يتم نقلها كلها تقريبًا بواسطة الإلكترونات ومضادات النيترينوات.

التفاعلات النووية: انشطار نوى اليورانيوم

من غير المحتمل انبعاث نيوترون مباشر من نوكليد مع الكثير منها لضمان استقرار النواة. النقطة هنا هي أنه لا يوجد تنافر كولوم ، وبالتالي فإن الطاقة السطحية تميل إلى إبقاء النيوترون في ارتباط مع الأم. ومع ذلك ، هذا يحدث في بعض الأحيان. على سبيل المثال ، ينتج جزء انشطار 90 Br في مرحلة اضمحلال بيتا الأولى الكريبتون 90 ، والذي يمكن أن يكون في حالة مثارة مع طاقة كافية للتغلب على الطاقة السطحية. في هذه الحالة ، يمكن أن يحدث انبعاث النيوترونات مباشرة مع تكوين الكريبتون 89. لا يزال غير مستقر فيما يتعلق بالتحلل β حتى يتم تحويله إلى yttrium-89 مستقر ، بحيث يتحلل الكريبتون 89 في ثلاث خطوات.

انشطار نوى اليورانيوم: تفاعل متسلسل

يمكن امتصاص النيوترونات المنبعثة في تفاعل الانشطار بواسطة نواة أخرى ، والتي تخضع بعد ذلك للانشطار المستحث. في حالة اليورانيوم 238 ، تخرج النيوترونات الثلاثة التي يتم إنتاجها بطاقات أقل من 1 ميغا إلكترون فولت (الطاقة المنبعثة أثناء انشطار نواة اليورانيوم - 158 ميغا إلكترون فولت - يتم تحويلها بشكل أساسي إلى الطاقة الحركية لشظايا الانشطار) ، لذلك لا يمكنهم التسبب في مزيد من الانشطار لهذه النويدات. ومع ذلك ، عند التركيز الكبير لنظير 235 يو النادر ، يمكن التقاط هذه النيوترونات الحرة بواسطة نوى 235 يو ، والتي يمكن أن تسبب بالفعل الانشطار ، لأنه في هذه الحالة لا توجد عتبة طاقة لا يتم تحفيز الانشطار تحتها.

هذا هو مبدأ التفاعل المتسلسل.

أنواع التفاعلات النووية

لنفترض أن k هو عدد النيوترونات المنتجة في عينة من المادة الانشطارية في المرحلة n من هذه السلسلة ، مقسومًا على عدد النيوترونات المنتجة في المرحلة n - 1. سيعتمد هذا الرقم على عدد النيوترونات المنتجة في المرحلة n - 1 والتي يتم امتصاصها من النواة ، والتي قد تضطر إلى الانقسام.

إذا كان ك< 1, то цепная реакция просто выдохнется и процесс остановится очень быстро. Именно это и происходит в природной в которой концентрация 235 U настолько мала, что вероятность поглощения одного из нейтронов этим изотопом крайне ничтожна.

إذا كان k> 1 ، فإن التفاعل المتسلسل سينمو حتى يتم استخدام كل المواد الانشطارية. ويتحقق ذلك عن طريق تخصيب الخام الطبيعي للحصول على تركيز كبير بما فيه الكفاية من اليورانيوم 235. بالنسبة للعينة الكروية ، تزداد قيمة k مع زيادة احتمالية امتصاص النيوترون ، والتي تعتمد على نصف قطر الكرة. لذلك ، يجب أن تتجاوز الكتلة U كمية معينة من أجل حدوث انشطار نوى اليورانيوم (تفاعل متسلسل).

إذا كان k = 1 ، فسيحدث رد فعل متحكم فيه. يستخدم هذا في المفاعلات النووية. يتم التحكم في العملية عن طريق توزيع الكادميوم أو قضبان البورون بين اليورانيوم ، والتي تمتص معظم النيوترونات (هذه العناصر لديها القدرة على التقاط النيوترونات). يتم التحكم في انشطار نواة اليورانيوم تلقائيًا عن طريق تحريك القضبان بطريقة تجعل قيمة k تساوي واحدًا.

فصل

الدرس # 42-43

تفاعل متسلسل لانشطار نواة اليورانيوم. الطاقة النووية والبيئة. النشاط الإشعاعي. نصف الحياة.

التفاعلات النووية

التفاعل النووي هو عملية تفاعل نواة ذرية مع نواة أخرى أو جسيم أولي ، مصحوبًا بتغيير في تكوين وبنية النواة وإطلاق جسيمات ثانوية أو γ-quanta.

نتيجة للتفاعلات النووية ، يمكن تكوين نظائر مشعة جديدة غير موجودة على الأرض في الظروف الطبيعية.

تم إجراء أول تفاعل نووي بواسطة E.Rutherford في عام 1919 في تجارب لاكتشاف البروتونات في منتجات الاضمحلال النووي (انظر الفقرة 9.5). قصف رذرفورد ذرات النيتروجين بجزيئات ألفا. عندما اصطدمت الجسيمات ، حدث تفاعل نووي ، والذي تم وفقًا للمخطط التالي:

أثناء التفاعلات النووية ، عدة قوانين الحفظ: الزخم ، الطاقة ، الزخم الزاوي ، الشحنة. بالإضافة إلى قوانين الحفظ الكلاسيكية هذه ، فإن ما يسمى بقانون الحفظ ينطبق على التفاعلات النووية. تهمة الباريون(أي عدد النكليونات - البروتونات والنيوترونات). كما يوجد عدد من قوانين الحفظ الأخرى الخاصة بالفيزياء النووية وفيزياء الجسيمات الأولية.

يمكن أن تستمر التفاعلات النووية عندما تقصف الذرات بجسيمات سريعة الشحن (البروتونات والنيوترونات وجسيمات ألفا والأيونات). تم إجراء أول تفاعل من هذا النوع باستخدام بروتونات عالية الطاقة تم الحصول عليها في المسرع عام 1932:

حيث M A و M B هي كتل النواتج الأولية ، M C و M D هي كتل نواتج التفاعل النهائية. القيمة ΔM يسمى عيب في الكتلة. يمكن أن تستمر التفاعلات النووية مع الإطلاق (Q> 0) أو مع امتصاص الطاقة (Q< 0). Во втором случае первоначальная кинетическая энергия исходных продуктов должна превышать величину |Q|, которая называется порогом реакции.

من أجل تفاعل نووي ليكون له مردود إيجابي من الطاقة ، طاقة ربط محددةيجب أن تكون النوكليونات في نوى المنتجات الأولية أقل من طاقة الارتباط المحددة للنيوكليونات في نوى المنتجات النهائية. هذا يعني أن ΔM يجب أن يكون موجبًا.

هناك طريقتان مختلفتان جوهريًا لإطلاق الطاقة النووية.

1. انشطار النوى الثقيلة. على عكس الاضمحلال الإشعاعي للنواة ، المصحوب بانبعاث جسيمات ألفا أو بيتا ، فإن تفاعلات الانشطار هي عملية يتم فيها تقسيم النواة غير المستقرة إلى جزأين كبيرين من الكتل المماثلة.

في عام 1939 ، اكتشف العالمان الألمان O. Hahn و F. Strassmann انشطار نوى اليورانيوم. استمرارًا للبحث الذي بدأه فيرمي ، وجدوا أنه عند قصف اليورانيوم بالنيوترونات ، تنشأ عناصر من الجزء الأوسط من النظام الدوري - نظائر الباريوم المشعة (Z = 56) ، والكريبتون (Z = 36) ، إلخ.

يتواجد اليورانيوم في الطبيعة على شكل نظيرين: (99.3٪) و (0.7٪). عندما تقصفها النيوترونات ، يمكن أن تنقسم نواة كلا النظيرين إلى جزأين. في هذه الحالة ، يستمر تفاعل الانشطار بشكل مكثف مع نيوترونات بطيئة (حرارية) ، بينما تدخل النوى في تفاعل انشطاري فقط مع نيوترونات سريعة بطاقة 1 إلكترون فولت.

يعتبر الانشطار النووي من الاهتمامات الرئيسية لهندسة الطاقة النووية ، وحالياً ، من المعروف أن حوالي 100 نظير مختلف بأعداد كتلتها من حوالي 90 إلى 145 ناتج عن انشطار هذه النواة. هناك نوعان من تفاعلات الانشطار النموذجية لهذه النواة لها الشكل:

لاحظ أنه نتيجة للانشطار النووي الذي بدأه النيوترون ، يتم إنتاج نيوترونات جديدة يمكن أن تسبب تفاعلات انشطار في نوى أخرى. يمكن أيضًا أن تكون نواتج انشطار نوى اليورانيوم 235 عبارة عن نظائر أخرى للباريوم ، والزينون ، والسترونتيوم ، والروبيديوم ، إلخ.

الطاقة الحركية المنبعثة أثناء انشطار نواة يورانيوم هائلة - حوالي 200 ميغا إلكترون فولت. يمكن تقدير الطاقة المنبعثة أثناء الانشطار النووي باستخدام طاقة ربط محددةالنوى في النواة. تبلغ طاقة الارتباط النوعي للنيوكليونات في النوى ذات العدد الكتلي A ≈ 240 حوالي 7.6 MeV / nucleon ، بينما في النوى ذات الأعداد الكتلية A = 90–145 الطاقة النوعية تساوي تقريبًا 8.5 MeV / nucleon. لذلك ، فإن انشطار نواة اليورانيوم يطلق طاقة بترتيب 0.9 ميغا فولت / نيكلون ، أو ما يقرب من 210 ميغا فولت لكل ذرة يورانيوم. مع الانشطار الكامل لجميع النوى الموجودة في 1 جرام من اليورانيوم ، يتم إطلاق نفس الطاقة أثناء احتراق 3 أطنان من الفحم أو 2.5 طن من النفط.

نواتج الانشطار لنواة اليورانيوم غير مستقرة ، لأنها تحتوي على عدد كبير من النيوترونات. في الواقع ، تبلغ نسبة N / Z لأثقل نوى حوالي 1.6 (الشكل 9.6.2) ، بالنسبة للنواة ذات الأعداد الكتلية من 90 إلى 145 ، تبلغ هذه النسبة حوالي 1.3-1.4. لذلك ، تتعرض نوى الشظايا لسلسلة متعاقبة من - تتحلل ، ونتيجة لذلك يزداد عدد البروتونات في النواة ، ويقل عدد النيوترونات حتى يتم تكوين نواة مستقرة.

الشكل 9.8.1. مخطط تطوير تفاعل متسلسل.

لحدوث تفاعل متسلسل ، من الضروري أن يسمى عامل تكاثر النيوتروناتكان أكبر من واحد. بمعنى آخر ، يجب أن يكون هناك عدد أكبر من النيوترونات في كل جيل لاحق مقارنة بالجيل السابق. يتم تحديد عامل الضرب ليس فقط من خلال عدد النيوترونات المنتجة في كل حدث أولي ، ولكن أيضًا من خلال الظروف التي يستمر في ظلها التفاعل - يمكن امتصاص بعض النيوترونات بواسطة نوى أخرى أو مغادرة منطقة التفاعل. يمكن للنيوترونات المنبعثة أثناء انشطار نوى اليورانيوم 235 أن تسبب فقط انشطار نوى نفس اليورانيوم ، والذي يمثل 0.7٪ فقط من اليورانيوم الطبيعي. هذا التركيز غير كافٍ لبدء تفاعل متسلسل. يمكن للنظير أيضًا امتصاص النيوترونات ، ولكن لا يحدث تفاعل متسلسل.

يمكن أن يحدث تفاعل متسلسل في اليورانيوم المحتوي على نسبة عالية من اليورانيوم -235 فقط عندما تتجاوز كتلة اليورانيوم ما يسمى الكتلة الحرجة.في قطع صغيرة من اليورانيوم ، تتطاير معظم النيوترونات ، دون أن تصطدم بأي نواة. بالنسبة لليورانيوم النقي 235 ، تبلغ الكتلة الحرجة حوالي 50 كجم. يمكن تقليل الكتلة الحرجة لليورانيوم عدة مرات باستخدام ما يسمى بـ الوسطاءالنيوترونات. الحقيقة هي أن النيوترونات التي يتم إنتاجها أثناء اضمحلال نوى اليورانيوم لها سرعات عالية جدًا ، واحتمال التقاط نوى اليورانيوم 235 للنيوترونات البطيئة أكبر بمئات المرات من النوى السريعة. أفضل وسيط نيوتروني هو الماء الثقيل D 2 O. عند التفاعل مع النيوترونات ، يتحول الماء العادي نفسه إلى ماء ثقيل.

الوسيط الجيد أيضًا هو الجرافيت ، الذي لا تمتص نواته النيوترونات. عند التفاعل المرن مع الديوتيريوم أو نوى الكربون ، تتباطأ النيوترونات إلى السرعات الحرارية.

إن استخدام الوسطاء النيوترونيين وقشرة البريليوم الخاصة التي تعكس النيوترونات تجعل من الممكن تقليل الكتلة الحرجة إلى 250 جم.

في القنابل الذرية ، يحدث تفاعل نووي متسلسل غير متحكم فيه بسرعة عندما يتم دمج قطعتين من اليورانيوم 235 ، كل منهما كتلة أقل قليلاً من الحرجة.

يُطلق على الجهاز الذي يحافظ على تفاعل الانشطار النووي الخاضع للرقابة نووي(أو الذري) مفاعل. يظهر مخطط المفاعل النووي على النيوترونات البطيئة في الشكل. 9.8.2.

الشكل 9.8.2. مخطط جهاز مفاعل نووي.

يحدث التفاعل النووي في قلب المفاعل ، المملوء بمهدئ ومثقب بقضبان تحتوي على خليط مخصب من نظائر اليورانيوم ذات المحتوى العالي من اليورانيوم 235 (حتى 3٪). يتم إدخال قضبان التحكم المحتوية على الكادميوم أو البورون في اللب ، والتي تمتص النيوترونات بشكل مكثف. يتيح لك إدخال القضبان في القلب التحكم في سرعة التفاعل المتسلسل.

يتم تبريد القلب بواسطة سائل تبريد يتم ضخه ، والذي يمكن أن يكون ماء أو معدنًا بنقطة انصهار منخفضة (على سبيل المثال ، الصوديوم ، الذي تبلغ درجة انصهاره 98 درجة مئوية). في مولد البخار ، يقوم وسيط نقل الحرارة بنقل الطاقة الحرارية إلى الماء ، وتحويلها إلى بخار عالي الضغط. يتم إرسال البخار إلى توربين متصل بمولد كهربائي. يدخل البخار المكثف من التوربين. لتجنب تسرب الإشعاع ، تعمل دوائر المبرد I ومولد البخار II في دورات مغلقة.

التوربينات الخاصة بمحطة الطاقة النووية هي محرك حراري يحدد الكفاءة الكلية للمحطة وفقًا للقانون الثاني للديناميكا الحرارية. في محطات الطاقة النووية الحديثة ، الكفاءة متساوية تقريبًا ، لذلك ، لإنتاج 1000 ميغاواط من الطاقة الكهربائية ، يجب أن تصل الطاقة الحرارية للمفاعل إلى 3000 ميغاواط. 2000 ميغاواط يجب حملها بعيدا عن طريق تبريد الماء للمكثف. هذا يؤدي إلى ارتفاع درجة الحرارة المحلية للمسطحات المائية الطبيعية وما يتبع ذلك من ظهور مشاكل بيئية.

ومع ذلك ، فإن المشكلة الرئيسية هي ضمان السلامة الإشعاعية الكاملة للأشخاص العاملين في محطات الطاقة النووية ومنع الإطلاق العرضي للمواد المشعة التي تتراكم بكميات كبيرة في قلب المفاعل. يتم إيلاء الكثير من الاهتمام لهذه المشكلة في تطوير المفاعلات النووية. ومع ذلك ، بعد الحوادث التي وقعت في بعض محطات الطاقة النووية ، ولا سيما في محطة الطاقة النووية في ولاية بنسلفانيا (الولايات المتحدة الأمريكية ، 1979) وفي محطة تشيرنوبيل للطاقة النووية (1986) ، أصبحت مشكلة سلامة الطاقة النووية حادة بشكل خاص.

إلى جانب المفاعل النووي الموصوف أعلاه والذي يعمل على نيوترونات بطيئة ، فإن المفاعلات التي تعمل بدون وسيط على النيوترونات السريعة لها أهمية عملية كبيرة. في مثل هذه المفاعلات ، يكون الوقود النووي عبارة عن خليط مخصب يحتوي على 15٪ على الأقل من النظير. وتتمثل ميزة مفاعلات النيوترونات السريعة في أنه أثناء تشغيلها ، يتم تحويل نوى اليورانيوم 238 ، التي تمتص النيوترونات ، من خلال تحللين متتاليين إلى بلوتونيوم النوى ، والتي يمكن استخدامها بعد ذلك كوقود نووي:

تصل نسبة التكاثر لهذه المفاعلات إلى 1.5 ، أي لكل 1 كجم من اليورانيوم 235 ، يتم الحصول على 1.5 كجم من البلوتونيوم. تنتج المفاعلات التقليدية أيضًا البلوتونيوم ، ولكن بكميات أقل بكثير.

تم بناء أول مفاعل نووي في عام 1942 في الولايات المتحدة تحت قيادة E. Fermi. في بلدنا ، تم بناء أول مفاعل في عام 1946 تحت قيادة الرابع كورتشاتوف.

2. التفاعلات النووية الحرارية. الطريقة الثانية لإطلاق الطاقة النووية مرتبطة بتفاعلات الاندماج. أثناء اندماج النوى الضوئية وتكوين نواة جديدة ، يجب إطلاق كمية كبيرة من الطاقة. يمكن ملاحظة ذلك من خلال اعتماد طاقة الربط المحددة على العدد الكتلي A (الشكل 9.6.1). حتى نوى بعدد كتلتها حوالي 60 ، تزداد طاقة الارتباط المحددة للنيوكليونات مع زيادة A. لذلك ، فإن تركيب أي نواة مع A< 60 из более легких ядер должен сопровождаться выделением энергии. Общая масса продуктов реакции синтеза будет в этом случае меньше массы первоначальных частиц.

تسمى تفاعلات الانصهار للنواة الخفيفة التفاعلات النووية الحرارية ،لأنها يمكن أن تتدفق فقط في درجات حرارة عالية جدًا. من أجل أن تدخل نواتان في تفاعل اندماجي ، يجب أن تقتربا على مسافة من تأثير القوى النووية في حدود 2-10-15 مترًا ، للتغلب على التنافر الكهربائي لشحناتها الموجبة. لهذا ، يجب أن يتجاوز متوسط الطاقة الحركية للحركة الحرارية للجزيئات الطاقة الكامنة لتفاعل كولوم. يؤدي حساب درجة الحرارة المطلوبة T لهذا إلى قيمة تتراوح بين 10 8 –10 9 K. هذه درجة حرارة عالية للغاية. عند درجة الحرارة هذه ، تكون المادة في حالة تأين كاملة ، وهو ما يسمى بلازما.

الطاقة المنبعثة في التفاعلات النووية الحرارية لكل نواة أعلى بعدة مرات من الطاقة المحددة المنبعثة في سلسلة تفاعلات الانشطار النووي. لذلك ، على سبيل المثال ، في تفاعل اندماج نوى الديوتيريوم والتريتيوم

تم تحرير 3.5 MeV / nucleon. في المجموع ، يتم إطلاق 17.6 MeV في هذا التفاعل. هذا هو أحد التفاعلات النووية الحرارية الواعدة.

تطبيق التفاعلات النووية الحرارية الخاضعة للرقابةستمنح البشرية مصدرًا جديدًا للطاقة صديقًا للبيئة ولا ينضب عمليًا. ومع ذلك ، فإن الحصول على درجات حرارة عالية للغاية وحصر البلازما المسخنة إلى مليار درجة هي أصعب مهمة علمية وتقنية في الطريق إلى تنفيذ الاندماج النووي الحراري المتحكم فيه.

في هذه المرحلة من تطور العلم والتكنولوجيا فقط تفاعل الانصهار غير المنضبطفي قنبلة هيدروجينية. يتم الوصول إلى درجة الحرارة المرتفعة اللازمة للاندماج النووي هنا عن طريق تفجير قنبلة تقليدية من اليورانيوم أو البلوتونيوم.

تلعب التفاعلات الحرارية النووية دورًا مهمًا للغاية في تطور الكون. الطاقة الإشعاعية للشمس والنجوم من أصل نووي حراري.

النشاط الإشعاعي

ما يقرب من 90٪ من 2500 نواة ذرية معروفة غير مستقرة. تتحول النواة غير المستقرة تلقائيًا إلى نوى أخرى مع انبعاث الجسيمات. تسمى خاصية النوى هذه النشاط الإشعاعي. بالنسبة إلى النوى الكبيرة ، ينشأ عدم الاستقرار بسبب المنافسة بين جذب النيوكليونات بالقوى النووية وتنافر الكولوم للبروتونات. لا توجد نوى مستقرة برقم شحنة Z> 83 ورقم كتلي A> 209. لكن النوى الذرية ذات أرقام Z و A منخفضة بشكل ملحوظ يمكن أن تتحول أيضًا إلى أن تكون مشعة. إذا كانت النواة تحتوي على بروتونات أكثر بكثير من النيوترونات ، فإن عدم الاستقرار يكون بسبب زيادة طاقة تفاعل كولوم. النوى ، التي تحتوي على فائض كبير من النيوترونات على عدد البروتونات ، غير مستقرة بسبب حقيقة أن كتلة النيوترون تتجاوز كتلة البروتون. تؤدي زيادة كتلة النواة إلى زيادة طاقتها.

تم اكتشاف ظاهرة النشاط الإشعاعي في عام 1896 من قبل الفيزيائي الفرنسي أ. بيكريل ، الذي اكتشف أن أملاح اليورانيوم تنبعث منها إشعاعات غير معروفة يمكنها اختراق الحواجز غير الشفافة للضوء وتسبب اسوداد مستحلب التصوير. بعد ذلك بعامين ، اكتشف الفيزيائيان الفرنسيان M. و P. Curie النشاط الإشعاعي للثوريوم واكتشفا عنصرين إشعاعيين جديدين - البولونيوم والراديوم

في السنوات اللاحقة ، شارك العديد من الفيزيائيين ، بما في ذلك إي. راذرفورد وطلابه ، في دراسة طبيعة الإشعاع المشع. وجد أن النوى المشعة يمكن أن تصدر جسيمات من ثلاثة أنواع: موجبة وسالبة الشحنة ومحايدة. كانت تسمى هذه الأنواع الثلاثة من الإشعاع α- و-و. على التين. يوضح 9.7.1 مخطط التجربة ، مما يجعل من الممكن اكتشاف التركيب المعقد للإشعاع المشع. في المجال المغناطيسي ، تنحرف أشعة ألفا وجاما في اتجاهين متعاكسين ، وتنحرف أشعة جاما أكثر من ذلك بكثير. لا تنحرف أشعة جاما في المجال المغناطيسي على الإطلاق.

تختلف هذه الأنواع الثلاثة من الإشعاع المشع اختلافًا كبيرًا عن بعضها البعض في قدرتها على تأين ذرات المادة ، وبالتالي في قدرتها على الاختراق. يمتلك إشعاع ألفا أقل قوة اختراق. في الهواء ، في ظل الظروف العادية ، تنتقل أشعة ألفا مسافة عدة سنتيمترات. β-rays أقل بكثير من امتصاص المادة. إنهم قادرون على المرور عبر طبقة من الألومنيوم بسمك عدة مليمترات. تتمتع أشعة جاما بأعلى قوة اختراق ، حيث إنها قادرة على المرور عبر طبقة من الرصاص بسمك 5-10 سم.

في العقد الثاني من القرن العشرين ، بعد اكتشاف إ. رذرفورد للبنية النووية للذرات ، ثبت بقوة أن النشاط الإشعاعي هو خاصية النوى الذرية. أظهرت الدراسات أن أشعة ألفا تمثل تيارًا من جسيمات ألفا - نوى الهيليوم ، وأشعة بيتا هي تيار من الإلكترونات ، وأشعة هي إشعاع كهرومغناطيسي قصير الموجة بطول موجي قصير للغاية λ< 10 –10 м и вследствие этого – ярко выраженными корпускулярными свойствами, то есть является потоком частиц – γ-квантов.

تسوس ألفا. تحلل ألفا هو تحول تلقائي لنواة ذرية بعدد البروتونات Z والنيوترونات N إلى نواة (ابنة) أخرى تحتوي على عدد البروتونات Z - 2 والنيوترونات N - 2. في هذه الحالة ، ينبعث جسيم ألفا - نواة ذرة الهيليوم. مثال على هذه العملية هو انحلال α للراديوم:

تم استخدام جسيمات ألفا المنبعثة من نوى ذرات الراديوم بواسطة رذرفورد في تجارب على التشتت بواسطة نوى العناصر الثقيلة. سرعة جسيمات ألفا المنبعثة أثناء تحلل نوى الراديوم ، المقاسة على طول انحناء المسار في مجال مغناطيسي ، تساوي تقريبًا 1.5 10 7 م / ث ، والطاقة الحركية المقابلة حوالي 7.5 10 -13 J (حوالي 4. 8 إلكترون فولت). يمكن تحديد هذه القيمة بسهولة من القيم المعروفة لكتل نوى الوالد والابنة ونواة الهليوم. على الرغم من أن سرعة جسيم ألفا المقذوف هائلة ، إلا أنها لا تزال تمثل 5٪ فقط من سرعة الضوء ، لذلك يمكن للحساب استخدام تعبير غير نسبي للطاقة الحركية.

أظهرت الدراسات أن المادة المشعة يمكن أن تنبعث منها جسيمات ألفا بعدة قيم طاقة منفصلة. يفسر ذلك حقيقة أن النوى يمكن أن تكون ، مثل الذرات ، في حالات مثارة مختلفة. يمكن أن تكون نواة الابنة في إحدى هذه الحالات المثيرة أثناء تسوس ألفا. أثناء الانتقال اللاحق لهذه النواة إلى الحالة الأرضية ، ينبعث γ-quantum. يظهر مخطط انحلال α للراديوم مع انبعاث جسيمات ألفا بقيمتين من الطاقات الحركية في الشكل. 9.7.2.

وبالتالي ، فإن تسوس النوى α يكون في كثير من الحالات مصحوبًا بإشعاع.

في نظرية انحلال α ، يُفترض أن المجموعات المكونة من بروتونين ونيوترونين ، أي جسيم ألفا ، يمكن أن تتشكل داخل النوى. النواة الأصل هي لجسيمات ألفا المحتملة بشكل جيد، وهو محدود حاجز محتمل. طاقة جسيم ألفا في النواة غير كافية للتغلب على هذا الحاجز (الشكل 9.7.3). لا يمكن طرد جسيم ألفا من النواة إلا بسبب ظاهرة ميكانيكية كمومية تسمى تأثير النفق. وفقًا لميكانيكا الكم ، هناك احتمال غير صفري لمرور الجسيم تحت حاجز محتمل. ظاهرة حفر الأنفاق لها طابع احتمالي.

اضمحلال بيتا.في اضمحلال بيتا ، ينبعث إلكترون من النواة. داخل النوى ، لا يمكن أن توجد الإلكترونات (انظر الفقرة 9.5) ، فهي تنشأ أثناء تحلل β نتيجة لتحول النيوترون إلى بروتون. يمكن أن تحدث هذه العملية ليس فقط داخل النواة ، ولكن أيضًا مع النيوترونات الحرة. يبلغ متوسط عمر النيوترون الحر حوالي 15 دقيقة. عندما يتحلل النيوترون إلى بروتون وإلكترون

أظهرت القياسات أنه في هذه العملية يوجد انتهاك واضح لقانون الحفاظ على الطاقة ، حيث أن الطاقة الكلية للبروتون والإلكترون الناتجة عن تحلل النيوترون أقل من طاقة النيوترون. في عام 1931 ، اقترح دبليو باولي أنه أثناء اضمحلال النيوترون ، يتم إطلاق جسيم آخر بدون كتلة وشحنة ، والذي يأخذ معه جزءًا من الطاقة. تم تسمية الجسيم الجديد نيوترينو(نيوترون صغير). بسبب عدم وجود شحنة وكتلة في النيوترينو ، يتفاعل هذا الجسيم بشكل ضعيف جدًا مع ذرات المادة ، لذلك من الصعب للغاية اكتشافه في التجربة. إن قدرة النيوترينوات على التأين صغيرة جدًا لدرجة أن فعل تأين واحد في الهواء يسقط على مسافة 500 كيلومتر تقريبًا من المسار. تم اكتشاف هذا الجسيم فقط في عام 1953. ومن المعروف حاليًا أن هناك عدة أنواع من النيوترينوات. في عملية اضمحلال النيوترون ، يتم إنتاج جسيم يسمى antineutrino الإلكترونية. يُشار إليه بالرمز لذلك ، يتم كتابة تفاعل اضمحلال النيوترونات على شكل

تحدث عملية مماثلة أيضًا داخل النوى أثناء تحلل البيتا. يُطرد الإلكترون المتشكل نتيجة تحلل أحد النيوترونات النووية على الفور من "المنزل الأم" (النواة) بسرعة هائلة ، والتي يمكن أن تختلف عن سرعة الضوء بجزء بسيط فقط من النسبة المئوية. نظرًا لأن توزيع الطاقة المنبعثة أثناء تحلل β بين إلكترون ، فإن نواة النيوترينو والبنت يكون عشوائيًا ، يمكن أن يكون للإلكترونات β سرعات مختلفة على نطاق واسع.

خلال β-decay ، يزيد رقم الشحنة Z بمقدار واحد ، بينما يظل الرقم الكتلي A دون تغيير. تبين أن نواة الابنة هي نواة أحد نظائر العنصر ، والرقم التسلسلي لها في الجدول الدوري أعلى بواحد من الرقم التسلسلي للنواة الأصلية. مثال نموذجي على تحلل β هو تحول أيزوتون الثوريوم الناتج عن اضمحلال α لليورانيوم إلى البلاديوم

اضمحلال جاما. على عكس النشاط الإشعاعي ألفا وبيتا ، لا يرتبط النشاط الإشعاعي للنواة بتغير في البنية الداخلية للنواة ولا يترافق مع تغيير في الشحنة أو أعداد الكتلة. في كل من تسوس ألفا وبيتا ، يمكن أن تكون نواة الابنة في حالة من الإثارة ولديها طاقة زائدة. يصاحب انتقال النواة من الحالة المثارة إلى الحالة الأرضية انبعاث واحد أو عدة-quanta ، والتي يمكن أن تصل طاقتها إلى عدة MeV.

قانون الاضمحلال الإشعاعي. تحتوي أي عينة من المواد المشعة على عدد كبير من الذرات المشعة. نظرًا لأن التحلل الإشعاعي عشوائي ولا يعتمد على الظروف الخارجية ، فإن قانون الانخفاض في عدد N (t) من النوى التي لم تتحلل في وقت معين t يمكن أن يكون بمثابة خاصية إحصائية مهمة لعملية التحلل الإشعاعي.

دع عدد النوى غير المتحللة N (t) يتغير بمقدار N خلال فترة زمنية قصيرة Δt< 0. Так как вероятность распада каждого ядра неизменна во времени, что число распадов будет пропорционально количеству ядер N(t) и промежутку времени Δt:

معامل التناسب λ هو احتمال اضمحلال النواة في الوقت Δt = 1 s. تعني هذه الصيغة أن معدل تغيير الوظيفة N (t) يتناسب طرديًا مع الوظيفة نفسها.

حيث N 0 هو العدد الأولي للنواة المشعة عند t = 0. خلال الوقت τ = 1 / ، سينخفض عدد النوى غير المتحللة بمقدار e 2.7 مرة. القيمة τ تسمى متوسط وقت الحياةنواة مشعة.

للاستخدام العملي ، من الملائم كتابة قانون التحلل الإشعاعي بشكل مختلف ، باستخدام الرقم 2 كقاعدة ، وليس e:

يتم استدعاء قيمة T نصف الحياة. خلال الوقت T ، يتحلل نصف العدد الأولي من النوى المشعة. ترتبط قيم T و بالعلاقة

نصف العمر هو الكمية الرئيسية التي تميز معدل الاضمحلال الإشعاعي. كلما كان عمر النصف أقصر ، زاد الانحلال. وهكذا ، بالنسبة لليورانيوم T ≈ 4.5 مليار سنة ، وللراديوم T 1600 سنة. لذلك ، فإن نشاط الراديوم أعلى بكثير من نشاط اليورانيوم. هناك عناصر مشعة بعمر نصف جزء من الثانية.

لا توجد في الظروف الطبيعية ، وتنتهي بالبزموت. تحدث هذه السلسلة من التحلل الإشعاعي في المفاعلات النووية.

أحد التطبيقات المثيرة للاهتمام للنشاط الإشعاعي هو طريقة تأريخ الاكتشافات الأثرية والجيولوجية من خلال تركيز النظائر المشعة. الطريقة الأكثر شيوعًا هي التأريخ بالكربون المشع. يحدث نظير الكربون غير المستقر في الغلاف الجوي بسبب التفاعلات النووية التي تسببها الأشعة الكونية. توجد نسبة صغيرة من هذا النظير في الهواء جنبًا إلى جنب مع النظير المستقر المعتاد ، حيث تستهلك النباتات والكائنات الأخرى الكربون من الهواء وتراكم كلا النظيرين بنفس النسبة كما في الهواء. بعد موت النباتات ، تتوقف عن استهلاك الكربون ، ونتيجة لانحلال بيتا ، يتحول النظير غير المستقر تدريجيًا إلى نيتروجين بعمر نصف يبلغ 5730 عامًا. من خلال القياس الدقيق للتركيز النسبي للكربون المشع في بقايا الكائنات الحية القديمة ، من الممكن تحديد وقت وفاتها.

الإشعاع المشع بجميع أنواعه (ألفا ، بيتا ، جاما ، نيوترونات) ، وكذلك الإشعاع الكهرومغناطيسي (إشعاع الأشعة السينية) له تأثير بيولوجي قوي جدًا على الكائنات الحية ، والذي يتكون من عمليات إثارة وتأين الذرات والجزيئات التي تشكل الخلايا الحية. تحت تأثير الإشعاع المؤين ، يتم تدمير الجزيئات المعقدة والهياكل الخلوية ، مما يؤدي إلى تلف إشعاعي للجسم. لذلك ، عند العمل مع أي مصدر للإشعاع ، من الضروري اتخاذ جميع التدابير للحماية من الإشعاع للأشخاص الذين يمكن أن يقعوا في منطقة الإشعاع.

ومع ذلك ، يمكن أن يتعرض الشخص للإشعاع المؤين في الظروف المنزلية. الرادون ، غاز مشع خامل عديم اللون ، يمكن أن يشكل خطراً جسيماً على صحة الإنسان ، كما يتضح من الرسم البياني الموضح في الشكل. 9.7.5 ، الرادون هو نتاج اضمحلال ألفا للراديوم وله عمر نصف T = 3.82 يومًا. يوجد الراديوم بكميات صغيرة في التربة والحجارة وفي هياكل المباني المختلفة. على الرغم من العمر القصير نسبيًا ، فإن تركيز الرادون يتجدد باستمرار بسبب التحلل الجديد لنواة الراديوم ، لذلك يمكن أن يتراكم الرادون في الأماكن المغلقة. عند دخوله إلى الرئتين ، ينبعث الرادون جسيمات ألفا ويتحول إلى بولونيوم ، وهو ليس مادة خاملة كيميائيًا. يتبع ذلك سلسلة من التحولات المشعة لسلسلة اليورانيوم (الشكل 9.7.5). وفقًا للجنة الأمريكية للسلامة الإشعاعية والتحكم فيها ، يتلقى الشخص العادي 55٪ من إشعاعاته المؤينة من الرادون و 11٪ فقط من الرعاية الطبية. تبلغ مساهمة الأشعة الكونية حوالي 8٪. الجرعة الإجمالية للإشعاع التي يتلقاها الشخص في حياته أقل بعدة مرات الجرعة القصوى المسموح بها(SDA) ، والذي تم إنشاؤه للأشخاص في بعض المهن المعرضين لتعرض إضافي للإشعاع المؤين.