Ως αποτέλεσμα μιας αλυσιδωτής αντίδρασης σχάσης, σχηματίζεται ουράνιο. Αντιδράσεις πυρηνικής σχάσης και αλυσιδωτές αντιδράσεις σχάσης

Μάθημα φυσικής στην 9η τάξη

«Διάσπαση πυρήνων ουρανίου. Αλυσιδωτή αντίδραση"

Σκοπός του μαθήματος:να εξοικειώσει τους μαθητές με τη διαδικασία της σχάσης των ατομικών πυρήνων του ουρανίου, τον μηχανισμό της αλυσιδωτής αντίδρασης.

Καθήκοντα:

εκπαιδευτικός:

να μελετήσει τον μηχανισμό της πυρηνικής σχάσης του ουρανίου-235. Εισαγωγή της έννοιας της κρίσιμης μάζας. καθορίζουν τους παράγοντες που καθορίζουν την πορεία μιας αλυσιδωτής αντίδρασης.

εκπαιδευτικός:

να φέρει τους μαθητές σε μια κατανόηση της σημασίας των επιστημονικών ανακαλύψεων και ότι ο κίνδυνος που μπορεί να προέλθει από επιστημονικά επιτεύγματα με αλόγιστη, αγράμματη ή ανήθικη στάση απέναντί τους.

ανάπτυξη:

ανάπτυξη της λογικής σκέψης? ανάπτυξη μονολόγου και διαλογικού λόγου. ανάπτυξη νοητικών λειτουργιών στους μαθητές: ανάλυση, σύγκριση, μάθηση. Διαμόρφωση της ιδέας της ακεραιότητας της εικόνας του κόσμου

Τύπος μαθήματος:μάθημα εκμάθησης.

Ικανότητες, στη διαμόρφωση των οποίων το μάθημα στοχεύει:

αξιακή σημασιολογική - η ικανότητα να βλέπεις και να κατανοείς τον κόσμο γύρω,

γενική πολιτιστική - κατάκτηση της επιστημονικής εικόνας του κόσμου από τον μαθητή,

εκπαιδευτικό και γνωστικό - η ικανότητα διάκρισης γεγονότων από εικασίες,

Επικοινωνιακή - δεξιότητες εργασίας σε ομάδα, κατοχή διαφόρων κοινωνικών ρόλων σε μια ομάδα,

ικανότητες προσωπικής αυτοβελτίωσης – κουλτούρα σκέψης και συμπεριφοράς

Πορεία του μαθήματος: 1. Οργανωτική στιγμή.

Ένα νέο μάθημα ήρθε. Θα σας χαμογελάω και θα χαμογελάτε ο ένας στον άλλον. Και σκεφτείτε: πόσο καλό είναι που είμαστε όλοι μαζί σήμερα εδώ. Είμαστε σεμνοί και ευγενικοί, φιλικοί και στοργικοί. Είμαστε όλοι υγιείς. - Εισπνεύστε βαθιά και εκπνεύστε. Εκπνεύστε τη χθεσινή αγανάκτηση, θυμό και άγχος. Εύχομαι σε όλους μας καλό μάθημα .

2. Έλεγχος της εργασίας.

Δοκιμή.

1. Ποιο είναι το φορτίο στον πυρήνα;

1) θετικό 2) αρνητικό 3) ο πυρήνας δεν έχει φορτίο

2. Τι είναι ένα σωματίδιο άλφα;

1) ηλεκτρόνιο 2) πυρήνα άτομο ηλίου

3) ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία

3. Πόσα πρωτόνια και νετρόνια περιέχει ο πυρήνας ενός ατόμου βηρυλλίου;

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

4. Ο πυρήνας ποιου χημικού στοιχείου σχηματίζεται κατά την α - διάσπαση του ραδίου;

Ρα → ? +Αυτός.

1) ραδόνιο 2) ουράνιο 3) φερμιο

5. Η μάζα του πυρήνα είναι πάντα ... το άθροισμα των μαζών των νουκλεονίων από τα οποία αποτελείται.

1) μεγαλύτερο από 2) ίσο με 3) μικρότερο

6. Το νετρόνιο είναι ένα σωματίδιο

1) με φορτίο +1, ατομική μάζα 1.

2) με χρέωση – 1, ατομική μάζα 0;

3) με φορτίο 0, ατομική μάζα 1.

7. Προσδιορίστε το δεύτερο προϊόν της πυρηνικής αντίδρασης

Απαντήσεις: Επιλογή 1. 1)1; 2)2; 3)3; 4)1; 5)3; 6)3; 7)3.

8. Πώς αλληλεπιδρούν ηλεκτρικά τα πρωτόνια μεταξύ τους στον πυρήνα;

9. Τι είναι ένα μαζικό ελάττωμα; Καταγράψτε τον τύπο.

10. Τι είναι η ενέργεια των δεσμών; Καταγράψτε τον τύπο.

Εκμάθηση νέου υλικού.

Πρόσφατα μάθαμε ότι ορισμένα χημικά στοιχεία μετατρέπονται σε άλλα χημικά στοιχεία κατά τη διάρκεια της ραδιενεργής αποσύνθεσης. Και τι πιστεύετε ότι θα συμβεί εάν κάποιο σωματίδιο κατευθυνθεί στον πυρήνα ενός ατόμου ενός συγκεκριμένου χημικού στοιχείου, για παράδειγμα, ένα νετρόνιο στον πυρήνα του ουρανίου;

Το 1939, οι Γερμανοί επιστήμονες Otto Hahn και Fritz Strassmann ανακάλυψαν τη σχάση των πυρήνων του ουρανίου. Βρήκαν ότι όταν το ουράνιο βομβαρδίζεται με νετρόνια, προκύπτουν στοιχεία του μεσαίου τμήματος του περιοδικού συστήματος - ραδιενεργά ισότοπα βαρίου (Z = 56), κρυπτόν (Z = 36) κ.λπ.

Ας εξετάσουμε λεπτομερέστερα τη διαδικασία σχάσης ενός πυρήνα ουρανίου κατά τον βομβαρδισμό από ένα νετρόνιο σύμφωνα με το σχήμα. Ένα νετρόνιο που εισέρχεται στον πυρήνα του ουρανίου απορροφάται από αυτό. Ο πυρήνας διεγείρεται και αρχίζει να παραμορφώνεται σαν σταγόνα υγρού.

Ο πυρήνας εισέρχεται σε κατάσταση διέγερσης και αρχίζει να παραμορφώνεται. Γιατί ο πυρήνας χωρίζεται σε 2 μέρη; Ποιες δυνάμεις προκαλούν το σπάσιμο;

Ποιες δυνάμεις δρουν μέσα στον πυρήνα;

– Ηλεκτροστατική και πυρηνική.

Εντάξει, πώς εκδηλώνονται οι ηλεκτροστατικές δυνάμεις;

– Μεταξύ φορτισμένων σωματιδίων ενεργούν ηλεκτροστατικές δυνάμεις. Το φορτισμένο σωματίδιο στον πυρήνα είναι το πρωτόνιο. Εφόσον το πρωτόνιο είναι θετικά φορτισμένο, σημαίνει ότι μεταξύ τους δρουν απωστικές δυνάμεις.

Σωστά, αλλά πώς εκδηλώνονται οι πυρηνικές δυνάμεις;

– Οι πυρηνικές δυνάμεις είναι δυνάμεις έλξης μεταξύ όλων των νουκλεονίων.

Έτσι, κάτω από τη δράση ποιων δυνάμεων σπάει ο πυρήνας;

– (Εάν υπάρχουν δυσκολίες, θέτω βασικές ερωτήσεις και οδηγώ τους μαθητές στο σωστό συμπέρασμα)Υπό τη δράση ηλεκτροστατικών απωστικών δυνάμεων, ο πυρήνας σχίζεται σε δύο μέρη, τα οποία διασκορπίζονται σε διαφορετικές κατευθύνσεις και εκπέμπουν 2-3 νετρόνια.

Εκτείνεται έως ότου οι ηλεκτρικές απωθητικές δυνάμεις αρχίσουν να υπερισχύουν των πυρηνικών. Ο πυρήνας σπάει σε δύο θραύσματα, εκτοξεύοντας δύο ή τρία νετρόνια. Αυτή είναι η τεχνολογία σχάσης του πυρήνα του ουρανίου.

Τα θραύσματα σκορπίζονται με πολύ μεγάλη ταχύτητα. Αποδεικνύεται ότι μέρος της εσωτερικής ενέργειας του πυρήνα μετατρέπεται σε κινητική ενέργεια ιπτάμενων θραυσμάτων και σωματιδίων. Τα θραύσματα απελευθερώνονται στο περιβάλλον. Τι πιστεύετε ότι τους συμβαίνει;

– Τα θραύσματα επιβραδύνονται στο περιβάλλον.

Για να μην παραβιαστεί ο νόμος της διατήρησης της ενέργειας, πρέπει να πούμε τι θα γίνει με την κινητική ενέργεια;

– Η κινητική ενέργεια των θραυσμάτων μετατρέπεται στην εσωτερική ενέργεια του μέσου.

Είναι δυνατόν να παρατηρήσουμε ότι η εσωτερική ενέργεια του μέσου έχει αλλάξει;

Ναι, το περιβάλλον ζεσταίνεται.

Θα επηρεαστεί όμως η αλλαγή της εσωτερικής ενέργειας από τον παράγοντα ότι διαφορετικός αριθμός πυρήνων ουρανίου θα συμμετάσχει στη σχάση;

- Φυσικά, με την ταυτόχρονη σχάση μεγάλου αριθμού πυρήνων ουρανίου, αυξάνεται η εσωτερική ενέργεια του περιβάλλοντος που περιβάλλει το ουράνιο.

Από το μάθημα της χημείας, γνωρίζετε ότι αντιδράσεις μπορούν να συμβούν τόσο με την απορρόφηση της ενέργειας όσο και με την απελευθέρωση. Τι μπορούμε να πούμε για την πορεία της αντίδρασης σχάσης ουρανίου;

- Η αντίδραση της σχάσης των πυρήνων ουρανίου πηγαίνει με την απελευθέρωση ενέργειας στο περιβάλλον.

(Διαφάνεια 13)

Το ουράνιο εμφανίζεται στη φύση με τη μορφή δύο ισοτόπων: U (99,3%) και U (0,7%). Σε αυτή την περίπτωση, η αντίδραση σχάσης U προχωρά πιο εντατικά σε αργά νετρόνια, ενώ οι πυρήνες U απλώς απορροφούν ένα νετρόνιο και η σχάση δεν συμβαίνει. Ως εκ τούτου, το κύριο ενδιαφέρον είναι η αντίδραση σχάσης του πυρήνα U. Επί του παρόντος, είναι γνωστά περίπου 100 διαφορετικά ισότοπα με μάζες από περίπου 90 έως 145, που προκύπτουν από τη διάσπαση αυτού του πυρήνα. Δύο τυπικές αντιδράσεις σχάσης αυτού του πυρήνα έχουν τη μορφή:

Σημειώστε ότι η ενέργεια που απελευθερώνεται κατά τη διάσπαση των πυρήνων του ουρανίου είναι τεράστια. Για παράδειγμα, με την πλήρη σχάση όλων των πυρήνων που περιέχονται σε 1 κιλό ουρανίου, απελευθερώνεται η ίδια ενέργεια όπως με την καύση 3000 τόνων άνθρακα. Επιπλέον, αυτή η ενέργεια μπορεί να απελευθερωθεί αμέσως.

(Διαφάνεια 14)

Κατάλαβα τι θα γίνει με τα θραύσματα Πώς θα συμπεριφέρονται τα νετρόνια;

Στη σχάση ενός πυρήνα ουρανίου-235, που προκαλείται από σύγκρουση με ένα νετρόνιο, απελευθερώνονται 2 ή 3 νετρόνια. Κάτω από ευνοϊκές συνθήκες, αυτά τα νετρόνια μπορούν να χτυπήσουν άλλους πυρήνες ουρανίου και να τους προκαλέσουν σχάση. Σε αυτό το στάδιο, θα εμφανιστούν ήδη από 4 έως 9 νετρόνια, ικανά να προκαλέσουν νέες διασπάσεις πυρήνων ουρανίου κ.λπ. Μια τέτοια διαδικασία που μοιάζει με χιονοστιβάδα ονομάζεται αλυσιδωτή αντίδραση. (Είσοδος σημειωματάριου: Αλυσιδωτή πυρηνική αντίδραση- μια αλληλουχία πυρηνικών αντιδράσεων, καθεμία από τις οποίες προκαλείται από ένα σωματίδιο που εμφανίστηκε ως προϊόν αντίδρασης στο προηγούμενο βήμα της αλληλουχίας). Το σχήμα ανάπτυξης της αλυσιδωτής αντίδρασης σχάσης πυρήνων ουρανίου θα εξεταστεί με περισσότερες λεπτομέρειες στο βίντεο κλιπ σε αργή κίνηση για μια πιο λεπτομερή εξέταση

Βλέπουμε ότι ο συνολικός αριθμός των ελεύθερων νετρονίων σε ένα κομμάτι ουρανίου αυξάνεται σαν χιονοστιβάδα με το χρόνο. Σε τι μπορεί να οδηγήσει αυτό;

- Στην έκρηξη.

Γιατί;

- Ο αριθμός της πυρηνικής σχάσης αυξάνεται και, κατά συνέπεια, η ενέργεια που απελευθερώνεται ανά μονάδα χρόνου.

Αλλά μετά από όλα, είναι επίσης δυνατή μια άλλη επιλογή, στην οποία ο αριθμός των ελεύθερων νετρονίων μειώνεται με το χρόνο, ο πυρήνας δεν συνάντησε το νετρόνιο στο δρόμο του. Σε αυτήν την περίπτωση τι συμβαίνει με την αλυσιδωτή αντίδραση;

- Θα σταματήσει.

Μπορεί η ενέργεια τέτοιων αντιδράσεων να χρησιμοποιηθεί για ειρηνικούς σκοπούς;

Πώς πρέπει να προχωρήσει η αντίδραση;

Η αντίδραση πρέπει να προχωρήσει με τέτοιο τρόπο ώστε ο αριθμός των νετρονίων να παραμένει σταθερός με την πάροδο του χρόνου.

Πώς είναι δυνατόν να διασφαλιστεί ότι ο αριθμός των νετρονίων παραμένει σταθερός όλη την ώρα;

– (προτάσεις για παιδιά)

Για να λυθεί αυτό το πρόβλημα, είναι απαραίτητο να γνωρίζουμε ποιοι παράγοντες επηρεάζουν την αύξηση και τη μείωση του συνολικού αριθμού ελεύθερων νετρονίων σε ένα κομμάτι ουρανίου στο οποίο λαμβάνει χώρα μια αλυσιδωτή αντίδραση.

(Διαφάνεια 15)

Ένας από αυτούς τους παράγοντες είναι μάζα ουρανίου . Το γεγονός είναι ότι κάθε νετρόνιο που εκπέμπεται κατά τη διάρκεια της πυρηνικής σχάσης δεν προκαλεί τη σχάση άλλων πυρήνων. Εάν η μάζα (και, κατά συνέπεια, το μέγεθος) ενός κομματιού ουρανίου είναι πολύ μικρή, τότε πολλά νετρόνια θα πετάξουν έξω από αυτό, χωρίς να προλάβουν να συναντήσουν τον πυρήνα στο δρόμο τους, να προκαλέσουν τη σχάση του και έτσι να δημιουργήσουν μια νέα παραγωγή νετρονίων που είναι απαραίτητα για τη συνέχιση της αντίδρασης. Σε αυτή την περίπτωση, η αλυσιδωτή αντίδραση θα σταματήσει. Για να συνεχιστεί η αντίδραση, είναι απαραίτητο να αυξηθεί η μάζα του ουρανίου σε μια ορισμένη τιμή, που ονομάζεται κρίσιμος.

Γιατί μια αλυσιδωτή αντίδραση γίνεται δυνατή με την αύξηση της μάζας;

Για να συμβεί μια αλυσιδωτή αντίδραση, είναι απαραίτητο το λεγόμενο συντελεστής πολλαπλασιασμούτα νετρόνια ήταν μεγαλύτερα από ένα. Με άλλα λόγια, θα πρέπει να υπάρχουν περισσότερα νετρόνια σε κάθε επόμενη γενιά από ό,τι στην προηγούμενη. Ο συντελεστής πολλαπλασιασμού καθορίζεται όχι μόνο από τον αριθμό των νετρονίων που παράγονται σε κάθε στοιχειώδες γεγονός, αλλά και από τις συνθήκες υπό τις οποίες εξελίσσεται η αντίδραση - μερικά από τα νετρόνια μπορούν να απορροφηθούν από άλλους πυρήνες ή να φύγουν από τη ζώνη αντίδρασης. Τα νετρόνια που απελευθερώνονται κατά τη διάσπαση των πυρήνων του ουρανίου-235 μπορούν να προκαλέσουν σχάση μόνο των πυρήνων του ίδιου ουρανίου, που αντιπροσωπεύει μόνο το 0,7% του φυσικού ουρανίου. Αυτή η συγκέντρωση είναι ανεπαρκής για να ξεκινήσει μια αλυσιδωτή αντίδραση. Το ισότοπο U μπορεί επίσης να απορροφήσει νετρόνια, αλλά δεν συμβαίνει αλυσιδωτή αντίδραση.

(Καταχώρηση σημειωματάριου: Συντελεστής πολλαπλασιασμού νετρονίωνκ - ο λόγος του αριθμού των νετρονίων της επόμενης γενιάς προς τον αριθμό της προηγούμενης γενιάς σε ολόκληρο τον όγκο του μέσου πολλαπλασιαζόμενων νετρονίων)

Μια αλυσιδωτή αντίδραση σε ουράνιο με υψηλή περιεκτικότητα σε ουράνιο-235 μπορεί να αναπτυχθεί μόνο όταν η μάζα του ουρανίου υπερβαίνει τη λεγόμενη κρίσιμη μάζα. Σε μικρά κομμάτια ουρανίου, τα περισσότερα νετρόνια, χωρίς να χτυπήσουν κανέναν πυρήνα, πετούν έξω. Για το καθαρό ουράνιο-235, η κρίσιμη μάζα είναι περίπου 50 kg.

(Καταχώρηση σημειωματάριου: Κρίσιμη μάζα- την ελάχιστη ποσότητα σχάσιμου υλικού που απαιτείται για την έναρξη μιας αυτοσυντηρούμενης αλυσιδωτής αντίδρασης σχάσης).

(Διαφάνεια 16)

Η κρίσιμη μάζα του ουρανίου μπορεί να μειωθεί πολλές φορές χρησιμοποιώντας τους λεγόμενους συντονιστές νετρονίων. Το γεγονός είναι ότι τα νετρόνια που παράγονται κατά τη διάσπαση των πυρήνων ουρανίου έχουν πολύ υψηλές ταχύτητες και η πιθανότητα σύλληψης αργών νετρονίων από πυρήνες ουρανίου-235 είναι εκατοντάδες φορές μεγαλύτερη από αυτή των γρήγορων. Ο καλύτερος συντονιστής νετρονίων είναι το βαρύ νερό H 2 O. Όταν αλληλεπιδρά με νετρόνια, το ίδιο το συνηθισμένο νερό μετατρέπεται σε βαρύ νερό.

Ένας καλός συντονιστής είναι επίσης ο γραφίτης, του οποίου οι πυρήνες δεν απορροφούν νετρόνια. Κατά τη διάρκεια της ελαστικής αλληλεπίδρασης με πυρήνες δευτερίου ή άνθρακα, τα νετρόνια επιβραδύνουν την κίνησή τους.

Η χρήση ρυθμιστών νετρονίων και ενός ειδικού κελύφους βηρυλλίου που αντανακλά τα νετρόνια καθιστά δυνατή τη μείωση της κρίσιμης μάζας στα 250 g (0,25 kg).

Καταχώρηση σημειωματάριου:

Η κρίσιμη μάζα μπορεί να μειωθεί εάν:

Χρησιμοποιήστε επιβραδυντές (γραφίτη, συνηθισμένο και βαρύ νερό)

Ανακλαστικό κέλυφος (βηρύλλιο)).

Και στις ατομικές βόμβες, απλώς, μια αλυσιδωτή ανεξέλεγκτη πυρηνική αντίδραση συμβαίνει όταν δύο κομμάτια ουρανίου-235 συνδυάζονται γρήγορα, καθένα από τα οποία έχει μάζα ελαφρώς χαμηλότερη από την κρίσιμη.

Η ατομική βόμβα είναι ένα τρομερό όπλο. Οι επιβλαβείς παράγοντες των οποίων είναι: 1) Ακτινοβολία φωτός (συμπεριλαμβανομένης της ακτινοβολίας Χ και της θερμικής ακτινοβολίας εδώ). 2) κρουστικό κύμα? 3) ακτινοβολία της περιοχής. Αλλά η σχάση των πυρήνων ουρανίου χρησιμοποιείται επίσης για ειρηνικούς σκοπούς - αυτό συμβαίνει σε πυρηνικούς αντιδραστήρες σε πυρηνικούς σταθμούς ηλεκτροπαραγωγής. Θα εξετάσουμε τις διαδικασίες που συμβαίνουν σε αυτές τις περιπτώσεις στο επόμενο μάθημα.

Τα μέσα του 20ου αιώνα ορίζονται από την επιτάχυνση της επιστήμης: μια φανταστική επιτάχυνση, η εισαγωγή επιστημονικών επιτευγμάτων στην παραγωγή και στη ζωή μας. Όλα αυτά μας κάνουν να σκεφτόμαστε - τι θα μας δώσει αύριο η επιστήμη;
Για να απαλύνουμε όλες τις δυσκολίες της ανθρώπινης ύπαρξης - αυτός είναι ο κύριος στόχος μιας πραγματικά προοδευτικής επιστήμης. Για να κάνουμε την ανθρωπότητα πιο ευτυχισμένη - όχι ένας, όχι δύο, αλλά η ανθρωπότητα. Και αυτό είναι πολύ σημαντικό, γιατί, όπως γνωρίζετε, η επιστήμη μπορεί επίσης να δράσει εναντίον ενός ατόμου. Η ατομική έκρηξη στις ιαπωνικές πόλεις - Χιροσίμα και Ναγκασάκι είναι ένα τραγικό παράδειγμα αυτού.

Λοιπόν, 1945, Αύγουστος. Ο Β' Παγκόσμιος Πόλεμος φτάνει στο τέλος του.

(διαφάνεια 2)

Στις 6 Αυγούστου, στη 1:45 π.μ., ένα αμερικανικό βομβαρδιστικό B-29, με διοικητή τον συνταγματάρχη Πολ Τίμπετς, απογειώθηκε από ένα νησί περίπου 6 ώρες από τη Χιροσίμα.

(Διαφάνεια 3)

Η Χιροσίμα μετά την ατομική έκρηξη.

του οποίου η σκιά περιπλανιέται εκεί αόρατα,
Είσαι τυφλός από την ατυχία;
Αυτή είναι η Χιροσίμα που κλαίει
Σύννεφα στάχτης.
Ποιανού η φωνή είναι εκεί μέσα στο καυτό σκοτάδι
Ακούσατε φρενήρεις;
Αυτό είναι το Ναγκασάκι που κλαίει
Στην καμένη γη
Σε αυτό το κλάμα και το κλάμα
Δεν υπάρχει ψέμα
Όλος ο κόσμος έχει παγώσει στην αναμονή -
Ποιος θα κλάψει μετά;

(Διαφάνεια 4)

Ο αριθμός των θανάτων από τις άμεσες επιπτώσεις της έκρηξης κυμάνθηκε από 70 έως 80 χιλιάδες άτομα. Μέχρι το τέλος του 1945, λόγω των επιπτώσεων της ραδιενεργής μόλυνσης και άλλων μεταγενέστερων επιπτώσεων της έκρηξης, ο συνολικός αριθμός θανάτων κυμαινόταν από 90 έως 166 χιλιάδες άτομα. Μετά από 5 χρόνια, ο συνολικός αριθμός των νεκρών έφτασε τους 200.000 ανθρώπους.

(Διαφάνεια 5)

Στις 6 Αυγούστου, αφού έλαβε είδηση για τον επιτυχημένο ατομικό βομβαρδισμό της Χιροσίμα, ο Πρόεδρος των ΗΠΑ Τρούμαν ανακοίνωσε ότι

«Είμαστε πλέον έτοιμοι να καταστρέψουμε, ακόμη πιο γρήγορα και ολοκληρωτικά από πριν, όλες τις ιαπωνικές χερσαίες εγκαταστάσεις παραγωγής σε οποιαδήποτε πόλη. Θα καταστρέψουμε τις αποβάθρες τους, τα εργοστάσιά τους και τις επικοινωνίες τους. Ας μην υπάρξει παρεξήγηση - θα καταστρέψουμε εντελώς την ικανότητα της Ιαπωνίας να διεξάγει πόλεμο».

(Διαφάνεια 6)

Στις 2:47 της 9ης Αυγούστου, ένα αμερικανικό βομβαρδιστικό B-29 υπό τη διοίκηση ενός ταγματάρχη, που έφερε ατομική βόμβα στο πλοίο, απογειώθηκε από το νησί. Στις 10:56 το B-29 έφτασε στο Ναγκασάκι. Η έκρηξη σημειώθηκε στις 11:02 τοπική ώρα.

(Διαφάνεια 7)

Ο αριθμός των νεκρών μέχρι το τέλος του 1945 κυμαινόταν από 60 έως 80 χιλιάδες άτομα. Μετά από 5 χρόνια, ο συνολικός αριθμός των θανάτων, συμπεριλαμβανομένων των θανάτων από καρκίνο και άλλες μακροπρόθεσμες επιπτώσεις της έκρηξης, θα μπορούσε να φτάσει ή και να ξεπεράσει τους 140.000 ανθρώπους.

Αυτή είναι η ιστορία, θλιβερή και προειδοποιητική

Κάθε άνθρωπος δεν είναι νησί,

κάθε άτομο είναι μέρος μιας μεγάλης ηπείρου.
Και μην ρωτάς ποτέ για ποιον χτυπάει η καμπάνα.
Σε καλεί...

Ενοποίηση.

Τι μάθαμε σήμερα στην τάξη; (με μηχανισμό σχάσης πυρήνων ουρανίου, με αλυσιδωτή αντίδραση)

Ποιες είναι οι προϋποθέσεις για να συμβεί μια αλυσιδωτή αντίδραση;

Τι είναι η κρίσιμη μάζα;

Τι είναι ο συντελεστής πολλαπλασιασμού;

Τι χρησιμεύει ως συντονιστής νετρονίων;

Αντανάκλαση.

Με τι διάθεση αφήνετε το μάθημα;

Εκτίμηση.

Εργασία για το σπίτι: σελ. 74.75, ερωτήσεις σελ. 252-253

Αλυσιδωτή πυρηνική αντίδραση. Ως αποτέλεσμα πειραμάτων για την ακτινοβολία νετρονίων του ουρανίου, διαπιστώθηκε ότι υπό τη δράση των νετρονίων, οι πυρήνες ουρανίου χωρίζονται σε δύο πυρήνες (θραύσματα) περίπου της μισής μάζας και φορτίου. αυτή η διαδικασία συνοδεύεται από την εκπομπή πολλών (δύο ή τριών) νετρονίων (Εικ. 402). Εκτός από το ουράνιο, μερικά ακόμη στοιχεία από τα τελευταία στοιχεία του περιοδικού συστήματος του Mendeleev είναι ικανά για σχάση. Αυτά τα στοιχεία, όπως το ουράνιο, διασπώνται όχι μόνο υπό την επίδραση νετρονίων, αλλά και χωρίς εξωτερικές επιδράσεις (αυθόρμητα). Η αυθόρμητη σχάση καθιερώθηκε πειραματικά από τους Σοβιετικούς φυσικούς K. A. Petrzhak και Georgy Nikolaevich Flerov (γεν. 1913) το 1940. Είναι μια πολύ σπάνια διαδικασία. Έτσι, σε 1 g ουρανίου, συμβαίνουν μόνο περίπου 20 αυθόρμητες σχάσεις ανά ώρα.

Ρύζι. 402. Διάσπαση πυρήνα ουρανίου υπό την επίδραση νετρονίων: α) ο πυρήνας συλλαμβάνει ένα νετρόνιο. β) η πρόσκρουση ενός νετρονίου στον πυρήνα προκαλεί την ταλάντωση του τελευταίου. γ) ο πυρήνας χωρίζεται σε δύο θραύσματα. εκπέμπονται περισσότερα νετρόνια.

Λόγω της αμοιβαίας ηλεκτροστατικής απώθησης, τα θραύσματα σχάσης διασκορπίζονται σε αντίθετες κατευθύνσεις, αποκτώντας τεράστια κινητική ενέργεια (περίπου ). Έτσι, η αντίδραση σχάσης λαμβάνει χώρα με σημαντική απελευθέρωση ενέργειας. Τα γρήγορα κινούμενα θραύσματα ιονίζουν έντονα τα άτομα του μέσου. Αυτή η ιδιότητα των θραυσμάτων χρησιμοποιείται για την ανίχνευση διεργασιών σχάσης χρησιμοποιώντας θάλαμο ιονισμού ή θάλαμο νέφους. Μια φωτογραφία ιχνών θραυσμάτων σχάσης σε θάλαμο σύννεφων φαίνεται στο σχ. 403. Είναι εξαιρετικά σημαντικό το γεγονός ότι τα νετρόνια που εκπέμπονται κατά τη σχάση ενός πυρήνα ουρανίου (τα λεγόμενα δευτερεύοντα νετρόνια σχάσης) είναι ικανά να προκαλέσουν τη σχάση νέων πυρήνων ουρανίου. Χάρη σε αυτό, είναι δυνατό να πραγματοποιηθεί μια αλυσιδωτή αντίδραση σχάσης: μόλις προκύψει, η αντίδραση, καταρχήν, μπορεί να συνεχιστεί μόνη της, καλύπτοντας έναν αυξανόμενο αριθμό πυρήνων. Το σχήμα ανάπτυξης μιας τέτοιας αναπτυσσόμενης αντίδρασης κυψέλης φαίνεται στο Σχ. 404.

Ρύζι. 403. Φωτογραφία ιχνών θραυσμάτων σχάσης ουρανίου σε θάλαμο σύννεφων: θραύσματα () διασκορπίζονται σε αντίθετες κατευθύνσεις από ένα λεπτό στρώμα ουρανίου που εναποτίθεται σε μια πλάκα που φράζει τον θάλαμο. Η εικόνα δείχνει επίσης πολλά λεπτότερα ίχνη που ανήκουν σε πρωτόνια που εκτοξεύτηκαν από νετρόνια από μόρια υδάτινων αυτοκινήτων που περιέχονται στον θάλαμο.

Η διεξαγωγή μιας αλυσιδωτής αντίδρασης σχάσης δεν είναι εύκολη στην πράξη. Η εμπειρία δείχνει ότι στη μάζα του φυσικού ουρανίου δεν συμβαίνει αλυσιδωτή αντίδραση. Ο λόγος για αυτό έγκειται στην απώλεια δευτερογενών νετρονίων. στο φυσικό ουράνιο τα περισσότερα νετρόνια είναι εκτός παιχνιδιού χωρίς να προκαλούν σχάση. Όπως έχουν αποκαλύψει μελέτες, η απώλεια νετρονίων συμβαίνει στο πιο κοινό ισότοπο του ουρανίου - ουράνιο - 238 (). Αυτό το ισότοπο απορροφά εύκολα τα νετρόνια σε μια αντίδραση παρόμοια με την αντίδραση του αργύρου με τα νετρόνια (βλ. § 222). αυτό παράγει ένα τεχνητά ραδιενεργό ισότοπο. Διαιρείται με δυσκολία και μόνο υπό τη δράση ταχέων νετρονίων.

Ένα ισότοπο που περιέχεται σε φυσικό ουράνιο σε ποσότητα έχει πιο επιτυχημένες ιδιότητες για μια αλυσιδωτή αντίδραση. Διαιρείται υπό τη δράση νετρονίων οποιασδήποτε ενέργειας - γρήγορα και αργά, και όσο καλύτερα, τόσο χαμηλότερη είναι η ενέργεια νετρονίων. Η διαδικασία που ανταγωνίζεται τη σχάση - η απλή απορρόφηση νετρονίων - είναι απίθανη σε αντίθεση με. Επομένως, στο καθαρό ουράνιο-235, είναι δυνατή μια αλυσιδωτή αντίδραση σχάσης, υπό την προϋπόθεση, ωστόσο, ότι η μάζα του ουρανίου-235 είναι αρκετά μεγάλη. Στο ουράνιο χαμηλής μάζας, η αντίδραση σχάσης τερματίζεται λόγω της εκπομπής δευτερογενών νετρονίων έξω από την ύλη του.

Ρύζι. 404. Ανάπτυξη μιας πολύτιμης αντίδρασης σχάσης: Είναι συμβατικά αποδεκτό ότι δύο νετρόνια εκπέμπονται κατά τη διάρκεια της πυρηνικής σχάσης και δεν υπάρχουν απώλειες νετρονίων, δηλ. Κάθε νετρόνιο προκαλεί μια νέα σχάση. κύκλοι - θραύσματα σχάσης, βέλη - νετρόνια σχάσης

Πράγματι, λόγω του μικροσκοπικού μεγέθους των ατομικών πυρήνων, ένα νετρόνιο διανύει μεγάλη απόσταση σε ύλη (μετρούμενη σε εκατοστά) πριν χτυπήσει κατά λάθος έναν πυρήνα. Εάν οι διαστάσεις του σώματος είναι μικρές, τότε η πιθανότητα σύγκρουσης στο δρόμο προς την έξοδο είναι μικρή. Σχεδόν όλα τα δευτερεύοντα νετρόνια σχάσης πετούν έξω μέσω της επιφάνειας του σώματος χωρίς να προκαλέσουν νέα σχάση, δηλ. χωρίς να συνεχίσουν την αντίδραση.

Από ένα σώμα μεγάλων διαστάσεων, είναι κυρίως τα νετρόνια που σχηματίζονται στο επιφανειακό στρώμα που πετούν έξω. Τα νετρόνια που σχηματίζονται στο εσωτερικό του σώματος έχουν αρκετό πάχος ουρανίου μπροστά τους και ως επί το πλείστον προκαλούν νέα σχάση, συνεχίζοντας την αντίδραση (Εικ. 405). Όσο μεγαλύτερη είναι η μάζα του ουρανίου, τόσο μικρότερο είναι το κλάσμα του όγκου του επιφανειακού στρώματος, από το οποίο χάνονται πολλά νετρόνια και τόσο πιο ευνοϊκές είναι οι συνθήκες για την ανάπτυξη μιας αλυσιδωτής αντίδρασης.

Ρύζι. 405. Ανάπτυξη μιας αλυσιδωτής αντίδρασης σχάσης στο . α) Σε μια μικρή μάζα, τα περισσότερα νετρόνια σχάσης πετούν έξω. β) Σε μια μεγάλη μάζα ουρανίου, πολλά νετρόνια σχάσης προκαλούν τη σχάση νέων πυρήνων. ο αριθμός των τμημάτων αυξάνεται από γενιά σε γενιά. Κύκλοι - θραύσματα σχάσης, βέλη - νετρόνια σχάσης

Αυξάνοντας σταδιακά την ποσότητα, θα φτάσουμε στην κρίσιμη μάζα, δηλαδή στη μικρότερη μάζα, ξεκινώντας από την οποία είναι δυνατή μια παρατεταμένη αλυσιδωτή αντίδραση σχάσης. Με περαιτέρω αύξηση της μάζας, η αντίδραση θα αρχίσει να αναπτύσσεται γρήγορα (θα ξεκινήσει με αυθόρμητη σχάση). Όταν η μάζα μειώνεται κάτω από την κρίσιμη τιμή, η αντίδραση διασπάται.

Έτσι, μπορείτε να πραγματοποιήσετε μια αλυσιδωτή αντίδραση σχάσης. Εάν έχετε αρκετό καθαρό, χωρίζεται από .

Όπως είδαμε στην §202, ο διαχωρισμός ισοτόπων είναι μια πολύπλοκη και δαπανηρή λειτουργία, αλλά εξακολουθεί να είναι δυνατή. Πράγματι, η εξόρυξη από φυσικό ουράνιο ήταν ένας από τους τρόπους με τους οποίους εφαρμόστηκε η αλυσιδωτή αντίδραση σχάσης.

Μαζί με αυτό, η αλυσιδωτή αντίδραση επιτεύχθηκε με άλλο τρόπο, ο οποίος δεν απαιτούσε τον διαχωρισμό των ισοτόπων ουρανίου. Αυτή η μέθοδος είναι καταρχήν κάπως πιο περίπλοκη, αλλά πιο εύκολη στην εφαρμογή. Χρησιμοποιεί την επιβράδυνση των νετρονίων γρήγορης δευτερεύουσας σχάσης στις ταχύτητες της θερμικής κίνησης. Είδαμε ότι στο φυσικό ουράνιο τα άμεσα δευτερεύοντα νετρόνια απορροφώνται κυρίως από το ισότοπο. Εφόσον η απορρόφηση δεν οδηγεί σε σχάση, η αντίδραση τερματίζεται. Οι μετρήσεις δείχνουν ότι όταν τα νετρόνια επιβραδύνονται σε θερμικές ταχύτητες, η απορροφητική ισχύς αυξάνεται περισσότερο από την απορροφητική ισχύ . Η απορρόφηση των νετρονίων από το ισότοπο, που οδηγεί σε σχάση, παίρνει το πάνω χέρι. Επομένως, εάν τα νετρόνια σχάσης επιβραδυνθούν, εμποδίζοντάς τα να απορροφηθούν στο , μια αλυσιδωτή αντίδραση θα καταστεί δυνατή με το φυσικό ουράνιο.

Ρύζι. 406. Ένα σύστημα φυσικού ουρανίου και ένας συντονιστής στο οποίο μπορεί να αναπτυχθεί μια αλυσιδωτή αντίδραση σχάσης

Στην πράξη, αυτό το αποτέλεσμα επιτυγχάνεται με την τοποθέτηση ράβδων καπναγωγών φυσικού ουρανίου σε μορφή σπάνιου πλέγματος στον συντονιστή (Εικ. 406). Ουσίες με χαμηλή ατομική μάζα και ασθενώς απορροφητικά νετρόνια χρησιμοποιούνται ως επιβραδυντές. Καλοί συντονιστές είναι ο γραφίτης, το βαρύ νερό, το βηρύλλιο.

Αφήστε τη σχάση του πυρήνα του ουρανίου να γίνει σε μια από τις ράβδους. Δεδομένου ότι η ράβδος είναι σχετικά λεπτή, τα γρήγορα δευτερεύοντα νετρόνια θα πετάξουν σχεδόν όλα μέσα στον συντονιστή. Οι ράβδοι βρίσκονται στο πλέγμα αρκετά σπάνια. Πριν χτυπήσει τη νέα ράβδο, το εκπεμπόμενο νετρόνιο βιώνει πολλές συγκρούσεις με τους πυρήνες του συντονιστή και επιβραδύνεται στην ταχύτητα της θερμικής κίνησης (Εικ. 407). Έχοντας στη συνέχεια χτυπήσει τη ράβδο ουρανίου, το νετρόνιο πιθανότατα θα απορροφηθεί και θα προκαλέσει νέα σχάση, συνεχίζοντας έτσι την αντίδραση. Η αλυσιδωτή αντίδραση σχάσης πραγματοποιήθηκε για πρώτη φορά στις Ηνωμένες Πολιτείες το 1942. μια ομάδα επιστημόνων με επικεφαλής τον Ιταλό φυσικό Enrico Fermi (1901-1954) σε ένα σύστημα με φυσικό ουράνιο. Αυτή η διαδικασία εφαρμόστηκε ανεξάρτητα στην ΕΣΣΔ το 1946. Ο ακαδημαϊκός Igor Vasilievich Kurchatov (1903-1960) με υπαλλήλους.

Ρύζι. 407. Ανάπτυξη μιας πολύτιμης αντίδρασης σχάσης σε σύστημα φυσικού ουρανίου και συντονιστή. Ένα γρήγορο νετρόνιο, που πετάει από μια λεπτή ράβδο, χτυπά τον συντονιστή και επιβραδύνει. Για άλλη μια φορά στο ουράνιο, το επιβραδυνόμενο νετρόνιο είναι πιθανό να απορροφηθεί στο , προκαλώντας σχάση (σύμβολο: δύο λευκοί κύκλοι). Μερικά νετρόνια απορροφώνται χωρίς να προκαλούν σχάση (σύμβολο: μαύρος κύκλος)

Σκοπός: να κατανοήσουν οι μαθητές τη σχάση των πυρήνων ουρανίου.

ελέγξτε το προηγουμένως μελετημένο υλικό.
εξετάστε τον μηχανισμό σχάσης του πυρήνα του ουρανίου.
εξετάστε την προϋπόθεση για την εμφάνιση μιας αλυσιδωτής αντίδρασης.
ανακαλύψτε τους παράγοντες που επηρεάζουν την πορεία μιας αλυσιδωτής αντίδρασης.
να αναπτύξουν την ομιλία και τη σκέψη των μαθητών.
να αναπτύξουν την ικανότητα να αναλύουν, να ελέγχουν και να προσαρμόζουν τις δικές τους δραστηριότητες μέσα σε ένα δεδομένο χρονικό διάστημα.

Εξοπλισμός: υπολογιστής, σύστημα προβολής, διδακτικό υλικό (τεστ «Σύνθεση του πυρήνα»), δίσκοι «Διαδραστικό μάθημα. Φυσική 7-11kl ”(Fizikon) και“ 1C-repeater. Φυσική» (1C).

Πρόοδος μαθήματος

Ι. Οργανωτική στιγμή (2').

Χαιρετισμούς, ανακοίνωση σχεδίου μαθήματος.

II. Επανάληψη προηγουμένως μελετημένης ύλης (8’).

Ανεξάρτητη εργασία των μαθητών - εκτέλεση δοκιμασίας ( Συνημμένο 1 ). Στο τεστ, πρέπει να υποδείξετε μία σωστή απάντηση.

III. Εκμάθηση νέου υλικού (25’). Σημειώσεις κατά τη διάρκεια του μαθήματος(εφαρμογή 2 ).

Ας ελέγξουμε τις υποθέσεις σας (εργαστείτε με το διαδραστικό μοντέλο "Nuclear Fission"«Διαδραστικό μάθημα. Φυσική 7-11 kl” ).

Ποιο ήταν το αποτέλεσμα;

- Όταν ένα νετρόνιο χτυπά τον πυρήνα του ουρανίου, βλέπουμε ότι ως αποτέλεσμα σχηματίζονται 2 θραύσματα και 2-3 νετρόνια.

Το ίδιο αποτέλεσμα επιτεύχθηκε το 1939 από τους Γερμανούς επιστήμονες Otto Hahn και Fritz Strassmann. Διαπίστωσαν ότι ως αποτέλεσμα της αλληλεπίδρασης των νετρονίων με τους πυρήνες του ουρανίου, εμφανίζονται πυρήνες ραδιενεργών θραυσμάτων, οι μάζες και τα φορτία των οποίων είναι περίπου τα μισά από τα αντίστοιχα χαρακτηριστικά των πυρήνων ουρανίου. Η πυρηνική σχάση που συμβαίνει με αυτόν τον τρόπο ονομάζεται εξαναγκασμένη σχάση, σε αντίθεση με την αυθόρμητη σχάση, η οποία συμβαίνει κατά τη διάρκεια φυσικών ραδιενεργών μετασχηματισμών.

Ποιες δυνάμεις δρουν μέσα στον πυρήνα;

– Ηλεκτροστατική και πυρηνική.

Εντάξει, πώς εκδηλώνονται οι ηλεκτροστατικές δυνάμεις;

Σωστά, αλλά πώς εκδηλώνονται οι πυρηνικές δυνάμεις;

– Οι πυρηνικές δυνάμεις είναι δυνάμεις έλξης μεταξύ όλων των νουκλεονίων.

Έτσι, κάτω από τη δράση ποιων δυνάμεων σπάει ο πυρήνας;

- (Εάν υπάρχουν δυσκολίες, θέτω βασικές ερωτήσεις και οδηγώ τους μαθητές στο σωστό συμπέρασμα) Υπό την επίδραση ηλεκτροστατικών απωστικών δυνάμεων, ο πυρήνας σχίζεται σε δύο μέρη, τα οποία διασκορπίζονται σε διαφορετικές κατευθύνσεις και εκπέμπουν 2-3 νετρόνια.

– Τα θραύσματα επιβραδύνονται στο περιβάλλον.

– Η κινητική ενέργεια των θραυσμάτων μετατρέπεται στην εσωτερική ενέργεια του μέσου.

Είναι δυνατόν να παρατηρήσουμε ότι η εσωτερική ενέργεια του μέσου έχει αλλάξει;

Ναι, το περιβάλλον ζεσταίνεται.

- Η αντίδραση της σχάσης των πυρήνων ουρανίου πηγαίνει με την απελευθέρωση ενέργειας στο περιβάλλον.

Η ενέργεια που περιέχεται στους πυρήνες των ατόμων είναι κολοσσιαία. Για παράδειγμα, με την πλήρη σχάση όλων των πυρήνων που υπάρχουν σε 1 g ουρανίου, θα απελευθερωθεί η ίδια ποσότητα ενέργειας που απελευθερώνεται κατά την καύση 2,5 τόνων πετρελαίου. Κατάλαβα τι θα γίνει με τα θραύσματα Πώς θα συμπεριφέρονται τα νετρόνια;

– (Ακούω τις υποθέσεις των μαθητών, ελέγχω τις υποθέσεις, δουλεύω με το διαδραστικό μοντέλο «Αλυσιδωτή Αντίδραση»"Repeater 1C. Η φυσικη" ).

Είναι αλήθεια ότι τα νετρόνια στο δρόμο τους μπορούν να συναντήσουν πυρήνες ουρανίου και να προκαλέσουν σχάση. Μια τέτοια αντίδραση ονομάζεται αλυσιδωτή αντίδραση.

Ποια είναι λοιπόν η προϋπόθεση για να συμβεί μια αλυσιδωτή αντίδραση;

- Μια αλυσιδωτή αντίδραση είναι δυνατή λόγω του γεγονότος ότι κατά τη διάσπαση κάθε πυρήνα σχηματίζονται 2-3 νετρόνια, τα οποία μπορούν να λάβουν μέρος στη σχάση άλλων πυρήνων.

- Στην έκρηξη.

- Θα σταματήσει.

Μπορεί η ενέργεια τέτοιων αντιδράσεων να χρησιμοποιηθεί για ειρηνικούς σκοπούς;

Πώς πρέπει να προχωρήσει η αντίδραση;

Πώς είναι δυνατόν να διασφαλιστεί ότι ο αριθμός των νετρονίων παραμένει σταθερός όλη την ώρα;

- (προτάσεις παιδιών)

Ένας από αυτούς τους παράγοντες είναι μάζα ουρανίου . Το γεγονός είναι ότι κάθε νετρόνιο που εκπέμπεται κατά τη διάρκεια της πυρηνικής σχάσης δεν προκαλεί τη σχάση άλλων πυρήνων. Εάν η μάζα (και, κατά συνέπεια, το μέγεθος) ενός κομματιού ουρανίου είναι πολύ μικρή, τότε πολλά νετρόνια θα πετάξουν έξω από αυτό, χωρίς να προλάβουν να συναντήσουν τον πυρήνα στο δρόμο τους, να προκαλέσουν τη σχάση του και έτσι να δημιουργήσουν μια νέα γενιά νετρόνια απαραίτητα για τη συνέχιση της αντίδρασης. Σε αυτή την περίπτωση, η αλυσιδωτή αντίδραση θα σταματήσει. Για να συνεχιστεί η αντίδραση, είναι απαραίτητο να αυξηθεί η μάζα του ουρανίου σε μια ορισμένη τιμή, που ονομάζεται κρίσιμος.

Γιατί μια αλυσιδωτή αντίδραση γίνεται δυνατή με την αύξηση της μάζας;

– Όσο μεγαλύτερη είναι η μάζα του κομματιού, τόσο μεγαλύτερη είναι η πιθανότητα να συναντηθούν τα νετρόνια με τους πυρήνες. Αντίστοιχα, ο αριθμός των πυρηνικών σχάσεων και ο αριθμός των εκπεμπόμενων νετρονίων αυξάνεται.

Σε μια ορισμένη αποκαλούμενη κρίσιμη μάζα ουρανίου, ο αριθμός των νετρονίων που εμφανίστηκαν κατά τη σχάση των πυρήνων γίνεται ίσος με τον αριθμό των χαμένων νετρονίων (δηλαδή, που συλλαμβάνονται από πυρήνες χωρίς σχάση και πετούν έξω από το κομμάτι).

Ως εκ τούτου, ο συνολικός αριθμός τους παραμένει αμετάβλητος. Σε αυτή την περίπτωση, η αλυσιδωτή αντίδραση μπορεί να συνεχιστεί για μεγάλο χρονικό διάστημα, χωρίς διακοπή και χωρίς να αποκτήσει εκρηκτικό χαρακτήρα.

Η μικρότερη μάζα ουρανίου στην οποία είναι δυνατή μια αλυσιδωτή αντίδραση ονομάζεται κρίσιμη μάζα.

Πώς θα προχωρήσει η αντίδραση εάν η μάζα του ουρανίου είναι μεγαλύτερη από την κρίσιμη μάζα;

– Ως αποτέλεσμα μιας απότομης αύξησης του αριθμού των ελεύθερων νετρονίων, μια αλυσιδωτή αντίδραση οδηγεί σε έκρηξη.

Τι γίνεται αν είναι λιγότερο κρίσιμο;

Η αντίδραση δεν προχωρά λόγω έλλειψης ελεύθερων νετρονίων.

Είναι δυνατό να μειωθεί η απώλεια νετρονίων (τα οποία πετούν έξω από το ουράνιο χωρίς να αντιδρούν με πυρήνες) όχι μόνο αυξάνοντας τη μάζα του ουρανίου, αλλά και χρησιμοποιώντας ένα ειδικό ανακλαστικό κέλυφος . Για να γίνει αυτό, ένα κομμάτι ουρανίου τοποθετείται σε ένα κέλυφος κατασκευασμένο από μια ουσία που αντανακλά καλά τα νετρόνια (για παράδειγμα, το βηρύλλιο). Αντανακλά από αυτό το κέλυφος, τα νετρόνια επιστρέφουν στο ουράνιο και μπορούν να λάβουν μέρος στην πυρηνική σχάση.

Εκτός από τη μάζα και την παρουσία ενός ανακλαστικού κελύφους, υπάρχουν αρκετοί άλλοι παράγοντες από τους οποίους εξαρτάται η πιθανότητα μιας αλυσιδωτής αντίδρασης. Για παράδειγμα, αν ένα κομμάτι ουρανίου περιέχει πάρα πολύ ακαθαρσίες άλλα χημικά στοιχεία, απορροφούν τα περισσότερα νετρόνια και η αντίδραση σταματά.

Ένας άλλος παράγοντας που επηρεάζει την πορεία της αντίδρασης είναι Διαθεσιμότητα στο λεγόμενο ουράνιο συντονιστής νετρονίων . Το γεγονός είναι ότι οι πυρήνες του ουρανίου-235 είναι πιο πιθανό να διασπαστούν υπό τη δράση αργών νετρονίων. Η πυρηνική σχάση παράγει γρήγορα νετρόνια. Εάν τα γρήγορα νετρόνια επιβραδυνθούν, τότε τα περισσότερα από αυτά θα συλληφθούν από τους πυρήνες του ουρανίου-235 με επακόλουθη σχάση αυτών των πυρήνων· ουσίες όπως ο γραφίτης, η εστία, το βαρύ νερό και κάποιες άλλες χρησιμοποιούνται ως συντονιστές. Αυτές οι ουσίες επιβραδύνουν μόνο τα νετρόνια, σχεδόν χωρίς να τα απορροφούν.

Ποιοι είναι λοιπόν οι κύριοι παράγοντες που μπορούν να επηρεάσουν την πορεία μιας αλυσιδωτής αντίδρασης;

- Η πιθανότητα μιας αλυσιδωτής αντίδρασης καθορίζεται από τη μάζα του ουρανίου, την ποσότητα των ακαθαρσιών σε αυτό, την παρουσία ενός κελύφους και ενός συντονιστή.

Η κρίσιμη μάζα ενός σφαιρικού κομματιού ουρανίου-235 είναι περίπου 50 kg. Ταυτόχρονα, η ακτίνα του είναι μόλις 9 εκατοστά, αφού το ουράνιο έχει πολύ υψηλή πυκνότητα.

Με τη χρήση ενός συντονιστή και ενός ανακλαστικού κελύφους, και με τη μείωση της ποσότητας των ακαθαρσιών, είναι δυνατό να μειωθεί η κρίσιμη μάζα ουρανίου στα 0,8 kg.

Η πυρηνική σχάση είναι η διάσπαση ενός βαρέως ατόμου σε δύο θραύσματα περίπου ίσης μάζας, που συνοδεύεται από την απελευθέρωση μεγάλης ποσότητας ενέργειας.

Η ανακάλυψη της πυρηνικής σχάσης ξεκίνησε μια νέα εποχή - την «ατομική εποχή». Το δυναμικό της πιθανής χρήσης του και η αναλογία κινδύνου προς όφελος από τη χρήση του δεν δημιούργησαν μόνο πολλά κοινωνιολογικά, πολιτικά, οικονομικά και επιστημονικά επιτεύγματα, αλλά και σοβαρά προβλήματα. Ακόμη και από καθαρά επιστημονική άποψη, η διαδικασία της πυρηνικής σχάσης έχει δημιουργήσει μεγάλο αριθμό γρίφων και επιπλοκών και η πλήρης θεωρητική εξήγηση της είναι θέμα του μέλλοντος.

Η κοινή χρήση είναι επικερδής

Οι ενέργειες δέσμευσης (ανά νουκλεόνιο) διαφέρουν για διαφορετικούς πυρήνες. Τα βαρύτερα έχουν χαμηλότερες ενέργειες δέσμευσης από εκείνα που βρίσκονται στη μέση του περιοδικού πίνακα.

Αυτό σημαίνει ότι για βαρείς πυρήνες με ατομικό αριθμό μεγαλύτερο από 100, είναι πλεονεκτικό να διαιρεθούν σε δύο μικρότερα θραύσματα, απελευθερώνοντας έτσι ενέργεια, η οποία μετατρέπεται στην κινητική ενέργεια των θραυσμάτων. Αυτή η διαδικασία ονομάζεται διάσπαση

Σύμφωνα με την καμπύλη σταθερότητας, η οποία δείχνει την εξάρτηση του αριθμού των πρωτονίων από τον αριθμό των νετρονίων για σταθερά νουκλεΐδια, οι βαρύτεροι πυρήνες προτιμούν περισσότερα νετρόνια (σε σύγκριση με τον αριθμό των πρωτονίων) από τα ελαφρύτερα. Αυτό υποδηλώνει ότι μαζί με τη διαδικασία διάσπασης θα εκπέμπονται και κάποια «εφεδρικά» νετρόνια. Επιπλέον, θα πάρουν επίσης μέρος της εκλυόμενης ενέργειας. Η μελέτη της πυρηνικής σχάσης του ατόμου του ουρανίου έδειξε ότι απελευθερώνονται 3-4 νετρόνια: 238 U → 145 La + 90 Br + 3n.

Ο ατομικός αριθμός (και η ατομική μάζα) του θραύσματος δεν είναι ίσος με το ήμισυ της ατομικής μάζας του γονέα. Η διαφορά μεταξύ των μαζών των ατόμων που σχηματίζονται ως αποτέλεσμα της διάσπασης είναι συνήθως περίπου 50. Είναι αλήθεια, ο λόγος για αυτό δεν είναι ακόμη απολύτως σαφής.

Οι ενέργειες δέσμευσης των 238 U, 145 La και 90 Br είναι 1803, 1198 και 763 MeV, αντίστοιχα. Αυτό σημαίνει ότι ως αποτέλεσμα αυτής της αντίδρασης, απελευθερώνεται η ενέργεια σχάσης του πυρήνα του ουρανίου, ίση με 1198 + 763-1803 = 158 MeV.

Αυθόρμητη διαίρεση

Οι διαδικασίες της αυθόρμητης διάσπασης είναι γνωστές στη φύση, αλλά είναι πολύ σπάνιες. Η μέση διάρκεια ζωής αυτής της διαδικασίας είναι περίπου 10 17 χρόνια και, για παράδειγμα, η μέση διάρκεια ζωής της διάσπασης άλφα του ίδιου ραδιονουκλιδίου είναι περίπου 10 11 χρόνια.

Ο λόγος για αυτό είναι ότι για να χωριστεί σε δύο μέρη, ο πυρήνας πρέπει πρώτα να παραμορφωθεί (τεντωθεί) σε ελλειψοειδές σχήμα και μετά, πριν τελικά χωριστεί σε δύο θραύσματα, να σχηματίσει έναν «λαιμό» στη μέση.

Δυνητικό εμπόδιο

Στην παραμορφωμένη κατάσταση, δύο δυνάμεις δρουν στον πυρήνα. Η μία είναι η αυξημένη επιφανειακή ενέργεια (η επιφανειακή τάση μιας σταγόνας υγρού εξηγεί το σφαιρικό της σχήμα) και η άλλη είναι η άπωση Coulomb μεταξύ των θραυσμάτων σχάσης. Μαζί δημιουργούν ένα πιθανό εμπόδιο.

Όπως και στην περίπτωση της διάσπασης άλφα, για να συμβεί η αυθόρμητη σχάση του πυρήνα του ατόμου ουρανίου, τα θραύσματα πρέπει να ξεπεράσουν αυτό το φράγμα χρησιμοποιώντας κβαντική σήραγγα. Το φράγμα είναι περίπου 6 MeV, όπως στην περίπτωση της διάσπασης άλφα, αλλά η πιθανότητα διάνοιξης σήραγγας ενός σωματιδίου άλφα είναι πολύ μεγαλύτερη από αυτή ενός πολύ βαρύτερου προϊόντος σχάσης ατόμου.

αναγκαστική διάσπαση

Πολύ πιο πιθανή είναι η επαγόμενη σχάση του πυρήνα του ουρανίου. Σε αυτή την περίπτωση, ο μητρικός πυρήνας ακτινοβολείται με νετρόνια. Εάν ο γονέας το απορροφήσει, δεσμεύονται, απελευθερώνοντας δεσμευτική ενέργεια με τη μορφή δονητικής ενέργειας που μπορεί να υπερβεί τα 6 MeV που απαιτούνται για να ξεπεραστεί το φραγμό του δυναμικού.

Όταν η ενέργεια του πρόσθετου νετρονίου είναι ανεπαρκής για να ξεπεραστεί το φράγμα δυναμικού, το προσπίπτον νετρόνιο πρέπει να έχει μια ελάχιστη κινητική ενέργεια για να μπορεί να προκαλέσει τη διάσπαση ενός ατόμου. Στην περίπτωση των 238 U, η ενέργεια δέσμευσης πρόσθετων νετρονίων είναι περίπου 1 MeV μικρή. Αυτό σημαίνει ότι η σχάση του πυρήνα του ουρανίου προκαλείται μόνο από ένα νετρόνιο με κινητική ενέργεια μεγαλύτερη από 1 MeV. Από την άλλη πλευρά, το ισότοπο 235 U έχει ένα ασύζευκτο νετρόνιο. Όταν ο πυρήνας απορροφά έναν επιπλέον, σχηματίζει ένα ζεύγος μαζί του και ως αποτέλεσμα αυτού του ζευγαρώματος, εμφανίζεται πρόσθετη ενέργεια δέσμευσης. Αυτό είναι αρκετό για να απελευθερώσει την ποσότητα ενέργειας που είναι απαραίτητη για να ξεπεράσει ο πυρήνας το φραγμό του δυναμικού και η σχάση του ισοτόπου συμβαίνει κατά τη σύγκρουση με οποιοδήποτε νετρόνιο.

βήτα διάσπαση

Παρόλο που η αντίδραση σχάσης εκπέμπει τρία ή τέσσερα νετρόνια, τα θραύσματα εξακολουθούν να περιέχουν περισσότερα νετρόνια από τις σταθερές ισοβαρείς τους. Αυτό σημαίνει ότι τα θραύσματα διάσπασης είναι γενικά ασταθή έναντι της βήτα διάσπασης.

Για παράδειγμα, όταν συμβαίνει σχάση ουρανίου 238U, η σταθερή ισοβαρή με A = 145 είναι νεοδύμιο 145Nd, που σημαίνει ότι το θραύσμα λανθανίου 145La διασπάται σε τρία βήματα, κάθε φορά που εκπέμπει ένα ηλεκτρόνιο και ένα αντινετρίνο, μέχρι να σχηματιστεί ένα σταθερό νουκλίδιο. Η σταθερή ισοβαρή με A = 90 είναι ζιρκόνιο 90 Zr· επομένως, το θραύσμα διάσπασης βρωμίου 90 Br αποσυντίθεται σε πέντε στάδια της αλυσίδας β-αποσύνθεσης.

Αυτές οι αλυσίδες β-διάσπασης απελευθερώνουν πρόσθετη ενέργεια, η οποία σχεδόν όλη μεταφέρεται από ηλεκτρόνια και αντινετρίνα.

Πυρηνικές αντιδράσεις: σχάση πυρήνων ουρανίου

Η άμεση εκπομπή ενός νετρονίου από ένα νουκλίδιο με πάρα πολλά από αυτά για να διασφαλιστεί η σταθερότητα του πυρήνα είναι απίθανη. Το θέμα εδώ είναι ότι δεν υπάρχει απώθηση Coulomb, και έτσι η επιφανειακή ενέργεια τείνει να διατηρεί το νετρόνιο σε δεσμό με τον γονέα. Ωστόσο, αυτό μερικές φορές συμβαίνει. Για παράδειγμα, ένα θραύσμα σχάσης 90 Br στο πρώτο στάδιο διάσπασης βήτα παράγει το κρυπτόν-90, το οποίο μπορεί να είναι σε διεγερμένη κατάσταση με αρκετή ενέργεια για να υπερνικήσει την επιφανειακή ενέργεια. Σε αυτή την περίπτωση, η εκπομπή νετρονίων μπορεί να συμβεί απευθείας με το σχηματισμό του κρυπτονίου-89. εξακολουθεί να είναι ασταθής ως προς τη διάσπαση β έως ότου μετατραπεί σε σταθερό ύττριο-89, έτσι ώστε το κρυπτόν-89 να διασπάται σε τρία στάδια.

Διάσπαση πυρήνων ουρανίου: αλυσιδωτή αντίδραση

Τα νετρόνια που εκπέμπονται στην αντίδραση σχάσης μπορούν να απορροφηθούν από έναν άλλο μητρικό πυρήνα, ο οποίος στη συνέχεια ο ίδιος υφίσταται επαγόμενη σχάση. Στην περίπτωση του ουρανίου-238, τα τρία νετρόνια που παράγονται βγαίνουν με ενέργεια μικρότερη από 1 MeV (η ενέργεια που απελευθερώνεται κατά τη διάσπαση του πυρήνα του ουρανίου - 158 MeV - μετατρέπεται κυρίως στην κινητική ενέργεια των θραυσμάτων σχάσης ), επομένως δεν μπορούν να προκαλέσουν περαιτέρω σχάση αυτού του νουκλεϊδίου. Ωστόσο, σε μια σημαντική συγκέντρωση του σπάνιου ισοτόπου 235 U, αυτά τα ελεύθερα νετρόνια μπορούν να συλληφθούν από πυρήνες 235 U, οι οποίοι μπορούν πράγματι να προκαλέσουν σχάση, αφού στην περίπτωση αυτή δεν υπάρχει ενεργειακό όριο κάτω από το οποίο δεν προκαλείται σχάση.

Αυτή είναι η αρχή μιας αλυσιδωτής αντίδρασης.

Τύποι πυρηνικών αντιδράσεων

Έστω k ο αριθμός των νετρονίων που παράγονται σε ένα δείγμα σχάσιμου υλικού στο στάδιο n αυτής της αλυσίδας, διαιρεμένος με τον αριθμό των νετρονίων που παράγονται στο στάδιο n - 1. Αυτός ο αριθμός θα εξαρτηθεί από το πόσα νετρόνια που παράγονται στο στάδιο n - 1 απορροφώνται από τον πυρήνα, ο οποίος μπορεί να αναγκαστεί να διαιρεθεί.

Αν κ< 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.

Εάν k > 1, τότε η αλυσιδωτή αντίδραση θα αναπτυχθεί μέχρι να χρησιμοποιηθεί όλο το σχάσιμο υλικό.Αυτό επιτυγχάνεται με τον εμπλουτισμό του φυσικού μεταλλεύματος για να ληφθεί μια αρκετά μεγάλη συγκέντρωση ουρανίου-235. Για ένα σφαιρικό δείγμα, η τιμή του k αυξάνεται με την αύξηση της πιθανότητας απορρόφησης νετρονίων, η οποία εξαρτάται από την ακτίνα της σφαίρας. Επομένως, η μάζα U πρέπει να υπερβαίνει μια ορισμένη ποσότητα για να συμβεί η σχάση των πυρήνων του ουρανίου (αλυσιδωτή αντίδραση).

Αν k = 1, τότε λαμβάνει χώρα μια ελεγχόμενη αντίδραση. Αυτό χρησιμοποιείται σε πυρηνικούς αντιδραστήρες. Η διαδικασία ελέγχεται με τη διανομή ράβδων καδμίου ή βορίου μεταξύ του ουρανίου, τα οποία απορροφούν τα περισσότερα από τα νετρόνια (αυτά τα στοιχεία έχουν την ικανότητα να συλλαμβάνουν νετρόνια). Η σχάση του πυρήνα του ουρανίου ελέγχεται αυτόματα μετακινώντας τις ράβδους με τέτοιο τρόπο ώστε η τιμή του k να παραμένει ίση με ένα.

Τάξη

Μάθημα #42-43

Αλυσιδωτή αντίδραση σχάσης πυρήνων ουρανίου. Πυρηνική ενέργεια και οικολογία. Ραδιοενέργεια. Ημιζωή.

Πυρηνικές αντιδράσεις

Πυρηνική αντίδραση είναι η διαδικασία αλληλεπίδρασης ενός ατομικού πυρήνα με έναν άλλο πυρήνα ή στοιχειώδες σωματίδιο, που συνοδεύεται από αλλαγή στη σύνθεση και τη δομή του πυρήνα και την απελευθέρωση δευτερογενών σωματιδίων ή γ-κβάντα.

Ως αποτέλεσμα των πυρηνικών αντιδράσεων, μπορούν να σχηματιστούν νέα ραδιενεργά ισότοπα που δεν βρίσκονται στη Γη σε φυσικές συνθήκες.

Η πρώτη πυρηνική αντίδραση πραγματοποιήθηκε από τον E. Rutherford το 1919 σε πειράματα για την ανίχνευση πρωτονίων σε προϊόντα πυρηνικής διάσπασης (βλ. § 9.5). Ο Ράδερφορντ βομβάρδισε άτομα αζώτου με σωματίδια άλφα. Όταν τα σωματίδια συγκρούστηκαν, συνέβη μια πυρηνική αντίδραση, η οποία προχώρησε σύμφωνα με το ακόλουθο σχήμα:

Κατά τη διάρκεια πυρηνικών αντιδράσεων, αρκετές νόμους διατήρησης: ορμή, ενέργεια, γωνιακή ορμή, φορτίο. Εκτός από αυτούς τους κλασικούς νόμους διατήρησης, ο λεγόμενος νόμος διατήρησης ισχύει και στις πυρηνικές αντιδράσεις. φορτίο βαρυονίου(δηλαδή ο αριθμός των νουκλεονίων – πρωτονίων και νετρονίων). Ισχύει επίσης μια σειρά από άλλους νόμους διατήρησης που αφορούν την πυρηνική φυσική και τη φυσική των στοιχειωδών σωματιδίων.

Οι πυρηνικές αντιδράσεις μπορούν να προχωρήσουν όταν τα άτομα βομβαρδίζονται από γρήγορα φορτισμένα σωματίδια (πρωτόνια, νετρόνια, α-σωματίδια, ιόντα). Η πρώτη αντίδραση αυτού του είδους πραγματοποιήθηκε χρησιμοποιώντας πρωτόνια υψηλής ενέργειας που ελήφθησαν στον επιταχυντή το 1932:

όπου M A και M B είναι οι μάζες των αρχικών προϊόντων, M C και M D είναι οι μάζες των τελικών προϊόντων αντίδρασης. Καλείται η τιμή ΔM μαζικό ελάττωμα. Οι πυρηνικές αντιδράσεις μπορούν να προχωρήσουν με την απελευθέρωση (Q > 0) ή με την απορρόφηση ενέργειας (Q< 0). Во втором случае первоначальная кинетическая энергия исходных продуктов должна превышать величину |Q|, которая называется порогом реакции.

Για να έχει μια πυρηνική αντίδραση θετική ενεργειακή απόδοση, ειδική δεσμευτική ενέργειαΤα νουκλεόνια στους πυρήνες των αρχικών προϊόντων πρέπει να είναι μικρότερα από την ειδική ενέργεια δέσμευσης των νουκλεονίων στους πυρήνες των τελικών προϊόντων. Αυτό σημαίνει ότι το ΔM πρέπει να είναι θετικό.

Υπάρχουν δύο θεμελιωδώς διαφορετικοί τρόποι απελευθέρωσης της πυρηνικής ενέργειας.

1. Διάσπαση βαρέων πυρήνων. Σε αντίθεση με τη ραδιενεργή διάσπαση των πυρήνων, που συνοδεύεται από την εκπομπή α- ή β-σωματιδίων, οι αντιδράσεις σχάσης είναι μια διαδικασία κατά την οποία ένας ασταθής πυρήνας χωρίζεται σε δύο μεγάλα θραύσματα συγκρίσιμων μαζών.

Το 1939, οι Γερμανοί επιστήμονες O. Hahn και F. Strassmann ανακάλυψαν τη σχάση των πυρήνων του ουρανίου. Συνεχίζοντας την έρευνα που ξεκίνησε ο Fermi, διαπίστωσαν ότι όταν το ουράνιο βομβαρδίζεται με νετρόνια, προκύπτουν στοιχεία του μεσαίου τμήματος του περιοδικού συστήματος - ραδιενεργά ισότοπα βαρίου (Z = 56), κρυπτόν (Z = 36) κ.λπ.

Το ουράνιο υπάρχει στη φύση με τη μορφή δύο ισοτόπων: (99,3%) και (0,7%). Όταν βομβαρδίζονται από νετρόνια, οι πυρήνες και των δύο ισοτόπων μπορούν να χωριστούν σε δύο θραύσματα. Σε αυτή την περίπτωση, η αντίδραση σχάσης προχωρά πιο εντατικά με αργά (θερμικά) νετρόνια, ενώ οι πυρήνες εισέρχονται σε αντίδραση σχάσης μόνο με γρήγορα νετρόνια με ενέργεια της τάξης του 1 MeV.

Η πυρηνική σχάση είναι πρωταρχικού ενδιαφέροντος για τη μηχανική πυρηνικής ενέργειας. Επί του παρόντος, περίπου 100 διαφορετικά ισότοπα με μαζικούς αριθμούς από περίπου 90 έως 145 είναι γνωστό ότι εμφανίζονται κατά τη διάσπαση αυτού του πυρήνα. Δύο τυπικές αντιδράσεις σχάσης αυτού του πυρήνα έχουν τη μορφή:

Σημειώστε ότι ως αποτέλεσμα της πυρηνικής σχάσης που ξεκινά από ένα νετρόνιο, παράγονται νέα νετρόνια που μπορούν να προκαλέσουν αντιδράσεις σχάσης σε άλλους πυρήνες. Τα προϊόντα σχάσης των πυρήνων ουρανίου-235 μπορεί επίσης να είναι άλλα ισότοπα βαρίου, ξένον, στροντίου, ρουβιδίου κ.λπ.

Η κινητική ενέργεια που απελευθερώνεται κατά τη σχάση ενός πυρήνα ουρανίου είναι τεράστια - περίπου 200 MeV. Η ενέργεια που απελευθερώνεται κατά τη διάρκεια της πυρηνικής σχάσης μπορεί να εκτιμηθεί χρησιμοποιώντας ειδική δεσμευτική ενέργειανουκλεόνια στον πυρήνα. Η ειδική ενέργεια δέσμευσης των νουκλεονίων σε πυρήνες με αριθμό μάζας A ≈ 240 είναι περίπου 7,6 MeV/νουκλεόνιο, ενώ σε πυρήνες με μάζες αριθμούς A = 90–145 η ειδική ενέργεια είναι περίπου ίση με 8,5 MeV/νουκλεόνιο. Επομένως, η σχάση ενός πυρήνα ουρανίου απελευθερώνει ενέργεια της τάξης των 0,9 MeV/νουκλεόνιο ή περίπου 210 MeV ανά άτομο ουρανίου. Με την πλήρη σχάση όλων των πυρήνων που περιέχονται σε 1 g ουρανίου, απελευθερώνεται η ίδια ενέργεια όπως κατά την καύση 3 τόνων άνθρακα ή 2,5 τόνων πετρελαίου.

Τα προϊόντα σχάσης του πυρήνα του ουρανίου είναι ασταθή, καθώς περιέχουν σημαντικό πλεόνασμα νετρονίων. Πράγματι, η αναλογία N / Z για τους βαρύτερους πυρήνες είναι περίπου 1,6 (Εικ. 9.6.2), για πυρήνες με μάζες αριθμούς από 90 έως 145 αυτή η αναλογία είναι περίπου 1,3–1,4. Ως εκ τούτου, οι πυρήνες θραυσμάτων βιώνουν μια σειρά διαδοχικών β - διασπάσεων, ως αποτέλεσμα των οποίων ο αριθμός των πρωτονίων στον πυρήνα αυξάνεται και ο αριθμός των νετρονίων μειώνεται μέχρι να σχηματιστεί ένας σταθερός πυρήνας.

Εικόνα 9.8.1. Σχέδιο ανάπτυξης μιας αλυσιδωτής αντίδρασης.

Για να συμβεί μια αλυσιδωτή αντίδραση, είναι απαραίτητο το λεγόμενο συντελεστής πολλαπλασιασμού νετρονίωνήταν μεγαλύτερο από ένα. Με άλλα λόγια, θα πρέπει να υπάρχουν περισσότερα νετρόνια σε κάθε επόμενη γενιά από ό,τι στην προηγούμενη. Ο συντελεστής πολλαπλασιασμού καθορίζεται όχι μόνο από τον αριθμό των νετρονίων που παράγονται σε κάθε στοιχειώδες γεγονός, αλλά και από τις συνθήκες υπό τις οποίες εξελίσσεται η αντίδραση - μερικά από τα νετρόνια μπορούν να απορροφηθούν από άλλους πυρήνες ή να φύγουν από τη ζώνη αντίδρασης. Τα νετρόνια που απελευθερώνονται κατά τη διάσπαση των πυρήνων του ουρανίου-235 μπορούν να προκαλέσουν σχάση μόνο των πυρήνων του ίδιου ουρανίου, που αντιπροσωπεύει μόνο το 0,7% του φυσικού ουρανίου. Αυτή η συγκέντρωση είναι ανεπαρκής για να ξεκινήσει μια αλυσιδωτή αντίδραση. Ένα ισότοπο μπορεί επίσης να απορροφήσει νετρόνια, αλλά δεν συμβαίνει αλυσιδωτή αντίδραση.

Μια αλυσιδωτή αντίδραση σε ουράνιο με υψηλή περιεκτικότητα σε ουράνιο-235 μπορεί να αναπτυχθεί μόνο όταν η μάζα του ουρανίου υπερβαίνει το λεγόμενο κρίσιμη μάζα.Σε μικρά κομμάτια ουρανίου, τα περισσότερα νετρόνια, χωρίς να χτυπήσουν κανέναν πυρήνα, πετούν έξω. Για το καθαρό ουράνιο-235, η κρίσιμη μάζα είναι περίπου 50 kg. Η κρίσιμη μάζα του ουρανίου μπορεί να μειωθεί πολλές φορές χρησιμοποιώντας το λεγόμενο συντονιστέςνετρόνια. Το γεγονός είναι ότι τα νετρόνια που παράγονται κατά τη διάσπαση των πυρήνων ουρανίου έχουν πολύ υψηλές ταχύτητες και η πιθανότητα σύλληψης αργών νετρονίων από πυρήνες ουρανίου-235 είναι εκατοντάδες φορές μεγαλύτερη από αυτή των γρήγορων. Ο καλύτερος συντονιστής νετρονίων είναι βαρύ νερό D 2 O. Όταν αλληλεπιδρά με τα νετρόνια, το ίδιο το συνηθισμένο νερό μετατρέπεται σε βαρύ νερό.

Ένας καλός συντονιστής είναι επίσης ο γραφίτης, του οποίου οι πυρήνες δεν απορροφούν νετρόνια. Κατά την ελαστική αλληλεπίδραση με πυρήνες δευτερίου ή άνθρακα, τα νετρόνια επιβραδύνονται σε θερμικές ταχύτητες.

Η χρήση ρυθμιστών νετρονίων και ενός ειδικού κελύφους βηρυλλίου που αντανακλά τα νετρόνια καθιστά δυνατή τη μείωση της κρίσιμης μάζας στα 250 g.

Στις ατομικές βόμβες, μια ανεξέλεγκτη πυρηνική αλυσιδωτή αντίδραση συμβαίνει όταν δύο κομμάτια ουρανίου-235, καθένα από τα οποία έχει μάζα ελαφρώς κάτω από την κρίσιμη, ενώνονται γρήγορα.

Μια συσκευή που διατηρεί μια ελεγχόμενη αντίδραση πυρηνικής σχάσης ονομάζεται πυρηνικός(ή ατομικός) αντιδραστήρας. Το σχήμα ενός πυρηνικού αντιδραστήρα σε αργά νετρόνια φαίνεται στο σχ. 9.8.2.

Εικόνα 9.8.2. Σχέδιο της συσκευής ενός πυρηνικού αντιδραστήρα.

Η πυρηνική αντίδραση λαμβάνει χώρα στον πυρήνα του αντιδραστήρα, ο οποίος είναι γεμάτος με ρυθμιστή και τρυπιέται με ράβδους που περιέχουν ένα εμπλουτισμένο μείγμα ισοτόπων ουρανίου με υψηλή περιεκτικότητα σε ουράνιο-235 (έως 3%). Ράβδοι ελέγχου που περιέχουν κάδμιο ή βόριο εισάγονται στον πυρήνα, οι οποίοι απορροφούν εντατικά τα νετρόνια. Η εισαγωγή ράβδων στον πυρήνα σας επιτρέπει να ελέγχετε την ταχύτητα της αλυσιδωτής αντίδρασης.

Ο πυρήνας ψύχεται από ένα αντλούμενο ψυκτικό, το οποίο μπορεί να είναι νερό ή μέταλλο με χαμηλό σημείο τήξης (για παράδειγμα, νάτριο, το οποίο έχει σημείο τήξης 98 °C). Σε μια γεννήτρια ατμού, το μέσο μεταφοράς θερμότητας μεταφέρει θερμική ενέργεια στο νερό, μετατρέποντάς το σε ατμό υψηλής πίεσης. Ο ατμός αποστέλλεται σε μια τουρμπίνα συνδεδεμένη με μια ηλεκτρική γεννήτρια. Από τον στρόβιλο, ο ατμός εισέρχεται στον συμπυκνωτή. Για να αποφευχθεί η διαρροή ακτινοβολίας, τα κυκλώματα του ψυκτικού I και της γεννήτριας ατμού II λειτουργούν σε κλειστούς κύκλους.

Ο στρόβιλος ενός πυρηνικού σταθμού ηλεκτροπαραγωγής είναι ένας θερμικός κινητήρας που καθορίζει τη συνολική απόδοση του σταθμού σύμφωνα με τον δεύτερο νόμο της θερμοδυναμικής. Στα σύγχρονα πυρηνικά εργοστάσια η απόδοση είναι περίπου ίση, επομένως, για να παραχθούν 1000 MW ηλεκτρικής ενέργειας, η θερμική ισχύς του αντιδραστήρα πρέπει να φτάσει τα 3000 MW. 2000 MW πρέπει να παρασυρθούν από το νερό που ψύχει τον συμπυκνωτή. Αυτό οδηγεί σε τοπική υπερθέρμανση των φυσικών υδάτινων σωμάτων και στην επακόλουθη εμφάνιση περιβαλλοντικών προβλημάτων.

Ωστόσο, το κύριο πρόβλημα είναι να διασφαλιστεί η πλήρης ακτινοβολία των ανθρώπων που εργάζονται σε πυρηνικούς σταθμούς και να αποτραπεί η τυχαία έκλυση ραδιενεργών ουσιών που συσσωρεύονται σε μεγάλες ποσότητες στον πυρήνα του αντιδραστήρα. Δίνεται μεγάλη προσοχή σε αυτό το πρόβλημα στην ανάπτυξη πυρηνικών αντιδραστήρων. Ωστόσο, μετά τα ατυχήματα σε ορισμένους πυρηνικούς σταθμούς, ιδίως στον πυρηνικό σταθμό ηλεκτροπαραγωγής στην Πενσυλβάνια (ΗΠΑ, 1979) και στον πυρηνικό σταθμό του Τσερνομπίλ (1986), το πρόβλημα της ασφάλειας της πυρηνικής ενέργειας έχει γίνει ιδιαίτερα οξύ.

Μαζί με τον προαναφερθέντα πυρηνικό αντιδραστήρα που λειτουργεί με αργά νετρόνια, μεγάλο πρακτικό ενδιαφέρον παρουσιάζουν αντιδραστήρες που λειτουργούν χωρίς συντονιστή σε γρήγορα νετρόνια. Σε τέτοιους αντιδραστήρες, το πυρηνικό καύσιμο είναι ένα εμπλουτισμένο μείγμα που περιέχει τουλάχιστον το 15% του ισοτόπου.Το πλεονέκτημα των αντιδραστήρων ταχέων νετρονίων είναι ότι κατά τη λειτουργία τους, πυρήνες ουρανίου-238, απορροφώντας νετρόνια, μέσω δύο διαδοχικών β - διασπάσεων μετατρέπονται σε πλουτώνιο. πυρήνες, οι οποίοι στη συνέχεια μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως πυρηνικά καύσιμα:

Η αναλογία αναπαραγωγής τέτοιων αντιδραστήρων φτάνει το 1,5, δηλαδή για 1 kg ουρανίου-235, λαμβάνεται έως και 1,5 kg πλουτωνίου. Οι συμβατικοί αντιδραστήρες παράγουν επίσης πλουτώνιο, αλλά σε πολύ μικρότερες ποσότητες.

Ο πρώτος πυρηνικός αντιδραστήρας κατασκευάστηκε το 1942 στις ΗΠΑ υπό την ηγεσία του Ε. Φέρμι. Στη χώρα μας, ο πρώτος αντιδραστήρας κατασκευάστηκε το 1946 υπό την ηγεσία του IV Kurchatov.

2. θερμοπυρηνικές αντιδράσεις. Ο δεύτερος τρόπος απελευθέρωσης της πυρηνικής ενέργειας σχετίζεται με τις αντιδράσεις σύντηξης. Κατά τη σύντηξη ελαφρών πυρήνων και το σχηματισμό ενός νέου πυρήνα, θα πρέπει να απελευθερωθεί μεγάλη ποσότητα ενέργειας. Αυτό φαίνεται από την εξάρτηση της ειδικής ενέργειας δέσμευσης από τον αριθμό μάζας Α (Εικ. 9.6.1). Μέχρι τους πυρήνες με μαζικό αριθμό περίπου 60, η ειδική ενέργεια δέσμευσης των νουκλεονίων αυξάνεται με την αύξηση του Α. Επομένως, η σύντηξη οποιουδήποτε πυρήνα με το Α< 60 из более легких ядер должен сопровождаться выделением энергии. Общая масса продуктов реакции синтеза будет в этом случае меньше массы первоначальных частиц.

Οι αντιδράσεις σύντηξης των ελαφρών πυρήνων ονομάζονται θερμοπυρηνικές αντιδράσεις,καθώς μπορούν να ρέουν μόνο σε πολύ υψηλές θερμοκρασίες. Για να εισέλθουν δύο πυρήνες σε αντίδραση σύντηξης, πρέπει να πλησιάσουν σε απόσταση δράσης πυρηνικών δυνάμεων της τάξης των 2·10 -15 m, ξεπερνώντας την ηλεκτρική απώθηση των θετικών τους φορτίων. Για αυτό, η μέση κινητική ενέργεια της θερμικής κίνησης των μορίων πρέπει να υπερβαίνει τη δυναμική ενέργεια της αλληλεπίδρασης Coulomb. Ο υπολογισμός της απαιτούμενης θερμοκρασίας T για αυτό οδηγεί σε μια τιμή της τάξης των 10 8 – 10 9 K. Αυτή είναι μια εξαιρετικά υψηλή θερμοκρασία. Σε αυτή τη θερμοκρασία, η ουσία βρίσκεται σε πλήρως ιονισμένη κατάσταση, η οποία ονομάζεται πλάσμα αίματος.

Η ενέργεια που απελευθερώνεται στις θερμοπυρηνικές αντιδράσεις ανά νουκλεόνιο είναι αρκετές φορές υψηλότερη από την ειδική ενέργεια που απελευθερώνεται στις αλυσιδωτές αντιδράσεις της πυρηνικής σχάσης. Έτσι, για παράδειγμα, στην αντίδραση σύντηξης των πυρήνων δευτερίου και τριτίου

Απελευθερώνεται 3,5 MeV/νουκλεόνιο. Συνολικά, απελευθερώνονται 17,6 MeV σε αυτή την αντίδραση. Αυτή είναι μια από τις πιο υποσχόμενες θερμοπυρηνικές αντιδράσεις.

Εκτέλεση ελεγχόμενες θερμοπυρηνικές αντιδράσειςθα δώσει στην ανθρωπότητα μια νέα φιλική προς το περιβάλλον και πρακτικά ανεξάντλητη πηγή ενέργειας. Ωστόσο, η απόκτηση εξαιρετικά υψηλών θερμοκρασιών και η διατήρηση του πλάσματος σε θερμοκρασία ενός δισεκατομμυρίου βαθμών είναι το πιο δύσκολο επιστημονικό και τεχνικό έργο στον δρόμο για την υλοποίηση της ελεγχόμενης θερμοπυρηνικής σύντηξης.

Σε αυτό το στάδιο της ανάπτυξης της επιστήμης και της τεχνολογίας, μόνο ανεξέλεγκτη αντίδραση σύντηξηςσε μια βόμβα υδρογόνου. Η υψηλή θερμοκρασία που απαιτείται για την πυρηνική σύντηξη επιτυγχάνεται εδώ με την έκρηξη μιας συμβατικής βόμβας ουρανίου ή πλουτωνίου.

Οι θερμοπυρηνικές αντιδράσεις παίζουν εξαιρετικά σημαντικό ρόλο στην εξέλιξη του Σύμπαντος. Η ενέργεια ακτινοβολίας του Ήλιου και των άστρων είναι θερμοπυρηνικής προέλευσης.

Ραδιοενέργεια

Σχεδόν το 90% των γνωστών 2500 ατομικών πυρήνων είναι ασταθείς. Ένας ασταθής πυρήνας μεταμορφώνεται αυθόρμητα σε άλλους πυρήνες με την εκπομπή σωματιδίων. Αυτή η ιδιότητα των πυρήνων ονομάζεται ραδιοενέργεια. Για μεγάλους πυρήνες, η αστάθεια προκύπτει λόγω του ανταγωνισμού μεταξύ της έλξης των νουκλεονίων από τις πυρηνικές δυνάμεις και της απώθησης των πρωτονίων Coulomb. Δεν υπάρχουν σταθεροί πυρήνες με αριθμό φορτίου Z > 83 και αριθμό μάζας Α > 209. Αλλά ατομικοί πυρήνες με σημαντικά χαμηλότερους αριθμούς Ζ και Α μπορεί επίσης να αποδειχθούν ραδιενεργοί. Εάν ο πυρήνας περιέχει σημαντικά περισσότερα πρωτόνια από νετρόνια, τότε προκαλείται αστάθεια από μια περίσσεια της ενέργειας αλληλεπίδρασης Coulomb. Οι πυρήνες, οι οποίοι θα περιέχουν μεγάλη περίσσεια νετρονίων σε σχέση με τον αριθμό των πρωτονίων, είναι ασταθείς λόγω του γεγονότος ότι η μάζα του νετρονίου υπερβαίνει τη μάζα του πρωτονίου. Η αύξηση της μάζας του πυρήνα οδηγεί σε αύξηση της ενέργειάς του.

Το φαινόμενο της ραδιενέργειας ανακαλύφθηκε το 1896 από τον Γάλλο φυσικό A. Becquerel, ο οποίος ανακάλυψε ότι τα άλατα ουρανίου εκπέμπουν άγνωστη ακτινοβολία που μπορεί να διεισδύσει μέσα από φράγματα που είναι αδιαφανή στο φως και να προκαλέσει μαύρισμα του φωτογραφικού γαλακτώματος. Δύο χρόνια αργότερα, οι Γάλλοι φυσικοί M. και P. Curie ανακάλυψαν τη ραδιενέργεια του θορίου και ανακάλυψαν δύο νέα ραδιενεργά στοιχεία - το πολώνιο και το ράδιο

Τα επόμενα χρόνια, πολλοί φυσικοί, συμπεριλαμβανομένου του E. Rutherford και των μαθητών του, ασχολήθηκαν με τη μελέτη της φύσης της ραδιενεργής ακτινοβολίας. Διαπιστώθηκε ότι οι ραδιενεργοί πυρήνες μπορούν να εκπέμπουν σωματίδια τριών τύπων: θετικά και αρνητικά φορτισμένα και ουδέτερα. Αυτοί οι τρεις τύποι ακτινοβολίας ονομάστηκαν α-, β- και γ-ακτινοβολία. Στο σχ. Το 9.7.1 δείχνει το σχήμα του πειράματος, το οποίο καθιστά δυνατή την ανίχνευση της πολύπλοκης σύνθεσης της ραδιενεργής ακτινοβολίας. Σε ένα μαγνητικό πεδίο, οι ακτίνες α και β αποκλίνουν σε αντίθετες κατευθύνσεις και οι ακτίνες β αποκλίνουν πολύ περισσότερο. Οι ακτίνες γ σε ένα μαγνητικό πεδίο δεν αποκλίνουν καθόλου.

Αυτοί οι τρεις τύποι ραδιενεργής ακτινοβολίας διαφέρουν πολύ μεταξύ τους ως προς την ικανότητά τους να ιονίζουν τα άτομα της ύλης και, κατά συνέπεια, στη διεισδυτική τους ισχύ. Η ακτινοβολία α έχει τη μικρότερη διεισδυτική ισχύ. Στον αέρα, υπό κανονικές συνθήκες, οι ακτίνες α διανύουν απόσταση πολλών εκατοστών. Οι ακτίνες β απορροφώνται πολύ λιγότερο από την ύλη. Μπορούν να περάσουν μέσα από ένα στρώμα αλουμινίου πάχους πολλών χιλιοστών. Οι ακτίνες γ έχουν την υψηλότερη διεισδυτική ισχύ, καθώς μπορούν να περάσουν μέσα από ένα στρώμα μολύβδου πάχους 5–10 cm.

Τη δεύτερη δεκαετία του 20ου αιώνα, μετά την ανακάλυψη από τον E. Rutherford της πυρηνικής δομής των ατόμων, διαπιστώθηκε ότι η ραδιενέργεια είναι ιδιότητα των ατομικών πυρήνων. Μελέτες έχουν δείξει ότι οι ακτίνες α αντιπροσωπεύουν ένα ρεύμα σωματιδίων α - οι πυρήνες ηλίου, οι ακτίνες β είναι ένα ρεύμα ηλεκτρονίων, οι ακτίνες γ είναι ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία βραχέων κυμάτων με εξαιρετικά μικρό μήκος κύματος λ.< 10 –10 м и вследствие этого – ярко выраженными корпускулярными свойствами, то есть является потоком частиц – γ-квантов.

Άλφα αποσύνθεση. Η διάσπαση άλφα είναι ο αυθόρμητος μετασχηματισμός ενός ατομικού πυρήνα με τον αριθμό των πρωτονίων Z και των νετρονίων Ν σε έναν άλλο (θυγατρικό) πυρήνα που περιέχει τον αριθμό των πρωτονίων Z - 2 και των νετρονίων N - 2. Στην περίπτωση αυτή, εκπέμπεται ένα α-σωματίδιο - ο πυρήνας ενός ατόμου ηλίου. Ένα παράδειγμα τέτοιας διαδικασίας είναι η α-διάσπαση του ραδίου:

Τα σωματίδια άλφα που εκπέμπονται από τους πυρήνες των ατόμων ραδίου χρησιμοποιήθηκαν από τον Ράδερφορντ σε πειράματα σχετικά με τη σκέδαση από τους πυρήνες των βαρέων στοιχείων. Η ταχύτητα των σωματιδίων α που εκπέμπονται κατά την α-διάσπαση των πυρήνων του ραδίου, μετρούμενη κατά μήκος της καμπυλότητας της τροχιάς σε ένα μαγνητικό πεδίο, είναι περίπου ίση με 1,5 10 7 m/s και η αντίστοιχη κινητική ενέργεια είναι περίπου 7,5 10 -13 J (περίπου 4. 8 MeV). Αυτή η τιμή μπορεί εύκολα να προσδιοριστεί από τις γνωστές τιμές των μαζών των γονικών και θυγατρικών πυρήνων και του πυρήνα ηλίου. Αν και η ταχύτητα του εκτοξευόμενου σωματιδίου α είναι τεράστια, εξακολουθεί να είναι μόνο το 5% της ταχύτητας του φωτός, επομένως ο υπολογισμός μπορεί να χρησιμοποιήσει μια μη σχετικιστική έκφραση για την κινητική ενέργεια.

Μελέτες έχουν δείξει ότι μια ραδιενεργή ουσία μπορεί να εκπέμπει σωματίδια α με πολλές διακριτές ενεργειακές τιμές. Αυτό εξηγείται από το γεγονός ότι οι πυρήνες μπορούν να βρίσκονται, όπως τα άτομα, σε διαφορετικές διεγερμένες καταστάσεις. Ένας θυγατρικός πυρήνας μπορεί να βρίσκεται σε μία από αυτές τις διεγερμένες καταστάσεις κατά τη διάρκεια της α-διάσπασης. Κατά την επακόλουθη μετάβαση αυτού του πυρήνα στη θεμελιώδη κατάσταση, εκπέμπεται ένα γ-κβάντο. Το σχήμα α-διάσπασης του ραδίου με την εκπομπή σωματιδίων α με δύο τιμές κινητικών ενεργειών φαίνεται στο Σχ. 9.7.2.

Έτσι, η α-διάσπαση των πυρήνων συνοδεύεται σε πολλές περιπτώσεις από γ-ακτινοβολία.

Στη θεωρία της α-διάσπασης, θεωρείται ότι ομάδες που αποτελούνται από δύο πρωτόνια και δύο νετρόνια, δηλαδή ένα α-σωματίδιο, μπορούν να σχηματιστούν μέσα στους πυρήνες. Ο μητρικός πυρήνας είναι για σωματίδια α πιθανή τρύπα, η οποία είναι περιορισμένη πιθανό εμπόδιο. Η ενέργεια του α-σωματιδίου στον πυρήνα είναι ανεπαρκής για να ξεπεράσει αυτό το εμπόδιο (Εικ. 9.7.3). Η εκτόξευση ενός α-σωματιδίου από τον πυρήνα είναι δυνατή μόνο λόγω ενός κβαντομηχανικού φαινομένου που ονομάζεται εφέ σήραγγας. Σύμφωνα με την κβαντομηχανική, υπάρχει μη μηδενική πιθανότητα να περάσει ένα σωματίδιο κάτω από ένα φράγμα δυναμικού. Το φαινόμενο της διάνοιξης σήραγγας έχει πιθανολογικό χαρακτήρα.

Βήτα διάσπαση.Στη βήτα διάσπαση, ένα ηλεκτρόνιο εκπέμπεται από τον πυρήνα. Μέσα στους πυρήνες, τα ηλεκτρόνια δεν μπορούν να υπάρχουν (βλ. § 9.5), προκύπτουν κατά τη διάσπαση β ως αποτέλεσμα της μετατροπής ενός νετρονίου σε πρωτόνιο. Αυτή η διαδικασία μπορεί να συμβεί όχι μόνο μέσα στον πυρήνα, αλλά και με ελεύθερα νετρόνια. Η μέση διάρκεια ζωής ενός ελεύθερου νετρονίου είναι περίπου 15 λεπτά. Όταν ένα νετρόνιο διασπάται σε πρωτόνιο και ηλεκτρόνιο

Οι μετρήσεις έδειξαν ότι σε αυτή τη διαδικασία υπάρχει φαινομενική παραβίαση του νόμου της διατήρησης της ενέργειας, αφού η συνολική ενέργεια του πρωτονίου και του ηλεκτρονίου που προκύπτει από τη διάσπαση του νετρονίου είναι μικρότερη από την ενέργεια του νετρονίου. Το 1931, ο W. Pauli πρότεινε ότι κατά τη διάσπαση ενός νετρονίου, ένα άλλο σωματίδιο απελευθερώνεται με μηδενική μάζα και φορτίο, το οποίο αφαιρεί μέρος της ενέργειας. Το νέο σωματίδιο ονομάζεται νετρίνο(μικρό νετρόνιο). Λόγω της απουσίας φορτίου και μάζας σε ένα νετρίνο, αυτό το σωματίδιο αλληλεπιδρά πολύ ασθενώς με τα άτομα της ύλης, επομένως είναι εξαιρετικά δύσκολο να το ανιχνεύσουμε σε ένα πείραμα. Η ικανότητα ιονισμού των νετρίνων είναι τόσο μικρή που μια πράξη ιονισμού στον αέρα πέφτει σε περίπου 500 km της διαδρομής. Αυτό το σωματίδιο ανακαλύφθηκε μόλις το 1953. Επί του παρόντος, είναι γνωστό ότι υπάρχουν αρκετές ποικιλίες νετρίνων. Στη διαδικασία της διάσπασης των νετρονίων, παράγεται ένα σωματίδιο, το οποίο ονομάζεται ηλεκτρονικό αντινετρίνο. Συμβολίζεται με το σύμβολο Επομένως, η αντίδραση διάσπασης νετρονίων γράφεται ως

Μια παρόμοια διαδικασία συμβαίνει επίσης μέσα στους πυρήνες κατά τη διάρκεια της β-διάσπασης. Ένα ηλεκτρόνιο που σχηματίζεται ως αποτέλεσμα της διάσπασης ενός από τα πυρηνικά νετρόνια εκτοξεύεται αμέσως από το «γονικό σπίτι» (πυρήνας) με τεράστια ταχύτητα, η οποία μπορεί να διαφέρει από την ταχύτητα του φωτός μόνο κατά ένα κλάσμα τοις εκατό. Δεδομένου ότι η κατανομή της ενέργειας που απελευθερώνεται κατά τη διάσπαση β μεταξύ ενός ηλεκτρονίου, ενός νετρίνου και ενός θυγατρικού πυρήνα είναι τυχαία, τα β-ηλεκτρόνια μπορούν να έχουν διαφορετικές ταχύτητες σε ένα ευρύ φάσμα.

Κατά τη β-αποσύνθεση, ο αριθμός φορτίου Z αυξάνεται κατά ένα, ενώ ο αριθμός μάζας Α παραμένει αμετάβλητος. Ο θυγατρικός πυρήνας αποδεικνύεται ότι είναι ο πυρήνας ενός από τα ισότοπα του στοιχείου, ο σειριακός αριθμός του οποίου στον περιοδικό πίνακα είναι ένα μεγαλύτερος από τον σειριακό αριθμό του αρχικού πυρήνα. Χαρακτηριστικό παράδειγμα β-διάσπασης είναι ο μετασχηματισμός του ισοτόνου θορίου που προκύπτει από την α-διάσπαση του ουρανίου σε παλλάδιο

Διάσπαση γάμμα. Σε αντίθεση με την α- και β-ραδιενέργεια, η γ-ραδιενέργεια των πυρήνων δεν σχετίζεται με αλλαγή στην εσωτερική δομή του πυρήνα και δεν συνοδεύεται από αλλαγή στο φορτίο ή στους αριθμούς μάζας. Και στην α- και στη β-διάσπαση, ο θυγατρικός πυρήνας μπορεί να βρίσκεται σε κάποια διεγερμένη κατάσταση και να έχει περίσσεια ενέργειας. Η μετάβαση του πυρήνα από τη διεγερμένη κατάσταση στη θεμελιώδη κατάσταση συνοδεύεται από την εκπομπή ενός ή περισσότερων γ-κβαντών, η ενέργεια των οποίων μπορεί να φτάσει αρκετά MeV.

Νόμος της ραδιενεργής διάσπασης. Οποιοδήποτε δείγμα ραδιενεργού υλικού περιέχει τεράστιο αριθμό ραδιενεργών ατόμων. Δεδομένου ότι η ραδιενεργή διάσπαση είναι τυχαία και δεν εξαρτάται από εξωτερικές συνθήκες, ο νόμος της μείωσης του αριθμού N(t) των πυρήνων που δεν έχουν διασπαστεί σε δεδομένο χρόνο t μπορεί να χρησιμεύσει ως σημαντικό στατιστικό χαρακτηριστικό της διαδικασίας ραδιενεργής διάσπασης.

Αφήστε τον αριθμό των μη αποσυντιθέμενων πυρήνων N(t) να αλλάξει κατά ΔN σε σύντομο χρονικό διάστημα Δt< 0. Так как вероятность распада каждого ядра неизменна во времени, что число распадов будет пропорционально количеству ядер N(t) и промежутку времени Δt:

Ο συντελεστής αναλογικότητας λ είναι η πιθανότητα διάσπασης του πυρήνα στο χρόνο Δt = 1 s. Αυτός ο τύπος σημαίνει ότι ο ρυθμός μεταβολής της συνάρτησης N(t) είναι ευθέως ανάλογος με την ίδια τη συνάρτηση.

όπου N 0 είναι ο αρχικός αριθμός ραδιενεργών πυρήνων σε t = 0. Κατά τη διάρκεια του χρόνου τ = 1 / λ, ο αριθμός των μη αποσυντιθέμενων πυρήνων θα μειωθεί κατά e ≈ 2,7 φορές. Η τιμή τ ονομάζεται μέσος χρόνος ζωήςραδιενεργό πυρήνα.

Για πρακτική χρήση, είναι βολικό να γράψετε τον νόμο της ραδιενεργής διάσπασης με διαφορετική μορφή, χρησιμοποιώντας τον αριθμό 2 ως βάση και όχι το e:

Η τιμή του Τ ονομάζεται ημιζωή. Κατά τη διάρκεια του χρόνου Τ, το ήμισυ του αρχικού αριθμού ραδιενεργών πυρήνων διασπάται. Οι τιμές των T και τ σχετίζονται με τη σχέση

Ο χρόνος ημιζωής είναι η κύρια ποσότητα που χαρακτηρίζει το ρυθμό ραδιενεργής διάσπασης. Όσο μικρότερος είναι ο χρόνος ημιζωής, τόσο πιο έντονη είναι η αποσύνθεση. Έτσι, για το ουράνιο Τ ≈ 4,5 δισεκατομμύρια χρόνια και για το ράδιο Τ ≈ 1600 χρόνια. Επομένως, η δραστηριότητα του ραδίου είναι πολύ μεγαλύτερη από αυτή του ουρανίου. Υπάρχουν ραδιενεργά στοιχεία με χρόνο ημιζωής κλάσματα δευτερολέπτου.

Δεν βρίσκεται σε φυσικές συνθήκες και καταλήγει σε βισμούθιο Αυτή η σειρά ραδιενεργών διασπάσεων εμφανίζεται σε πυρηνικούς αντιδραστήρες.

Μια ενδιαφέρουσα εφαρμογή της ραδιενέργειας είναι η μέθοδος χρονολόγησης αρχαιολογικών και γεωλογικών ευρημάτων με τη συγκέντρωση ραδιενεργών ισοτόπων. Η πιο συχνά χρησιμοποιούμενη μέθοδος είναι η χρονολόγηση με ραδιενεργό άνθρακα. Ένα ασταθές ισότοπο άνθρακα εμφανίζεται στην ατμόσφαιρα λόγω των πυρηνικών αντιδράσεων που προκαλούνται από τις κοσμικές ακτίνες. Ένα μικρό ποσοστό αυτού του ισοτόπου βρίσκεται στον αέρα μαζί με το συνηθισμένο σταθερό ισότοπο.Τα φυτά και άλλοι οργανισμοί καταναλώνουν άνθρακα από τον αέρα και συσσωρεύουν και τα δύο ισότοπα στην ίδια αναλογία όπως και στον αέρα. Μετά το θάνατο των φυτών, παύουν να καταναλώνουν άνθρακα και το ασταθές ισότοπο μετατρέπεται σταδιακά σε άζωτο ως αποτέλεσμα της β-διάσπασης με χρόνο ημιζωής 5730 χρόνια. Μετρώντας με ακρίβεια τη σχετική συγκέντρωση ραδιενεργού άνθρακα στα υπολείμματα αρχαίων οργανισμών, είναι δυνατός ο προσδιορισμός του χρόνου του θανάτου τους.

Η ραδιενεργή ακτινοβολία όλων των τύπων (άλφα, βήτα, γάμμα, νετρόνια), καθώς και η ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία (ακτινοβολία ακτίνων Χ) έχουν πολύ ισχυρή βιολογική επίδραση στους ζωντανούς οργανισμούς, η οποία συνίσταται στις διαδικασίες διέγερσης και ιονισμού ατόμων και μορίων που αποτελούν ζωντανά κύτταρα. Κάτω από τη δράση της ιονίζουσας ακτινοβολίας, καταστρέφονται πολύπλοκα μόρια και κυτταρικές δομές, γεγονός που οδηγεί σε βλάβη από την ακτινοβολία στο σώμα. Ως εκ τούτου, όταν εργάζεστε με οποιαδήποτε πηγή ακτινοβολίας, είναι απαραίτητο να λαμβάνονται όλα τα μέτρα για την ακτινοπροστασία των ατόμων που μπορεί να πέσουν στη ζώνη ακτινοβολίας.

Ωστόσο, ένα άτομο μπορεί να εκτεθεί σε ιονίζουσα ακτινοβολία σε οικιακές συνθήκες. Το ραδόνιο, ένα αδρανές, άχρωμο, ραδιενεργό αέριο, μπορεί να αποτελέσει σοβαρό κίνδυνο για την ανθρώπινη υγεία.Όπως φαίνεται από το διάγραμμα που φαίνεται στο Σχ. 9.7.5, το ραδόνιο είναι προϊόν της α-διάσπασης του ραδίου και έχει χρόνο ημιζωής Τ = 3,82 ημέρες. Το ράδιο βρίσκεται σε μικρές ποσότητες στο έδαφος, στις πέτρες και σε διάφορες κτιριακές κατασκευές. Παρά τη σχετικά μικρή διάρκεια ζωής, η συγκέντρωση του ραδονίου αναπληρώνεται συνεχώς λόγω των νέων διασπάσεων των πυρήνων του ραδίου, έτσι το ραδόνιο μπορεί να συσσωρευτεί σε κλειστούς χώρους. Μπαίνοντας στους πνεύμονες, το ραδόνιο εκπέμπει σωματίδια α και μετατρέπεται σε πολώνιο, το οποίο δεν είναι μια χημικά αδρανής ουσία. Ακολουθεί μια αλυσίδα ραδιενεργών μετασχηματισμών της σειράς ουρανίου (Εικ. 9.7.5). Σύμφωνα με την Αμερικανική Επιτροπή για την ασφάλεια και τον έλεγχο της ακτινοβολίας, ο μέσος άνθρωπος λαμβάνει το 55% της ιοντίζουσας ακτινοβολίας του από το ραδόνιο και μόνο το 11% από την ιατρική περίθαλψη. Η συμβολή των κοσμικών ακτίνων είναι περίπου 8%. Η συνολική δόση ακτινοβολίας που λαμβάνει ένα άτομο σε μια ζωή είναι πολλαπλάσια μικρότερη μέγιστη επιτρεπόμενη δόση(SDA), το οποίο έχει καθιερωθεί για άτομα ορισμένων επαγγελμάτων που εκτίθενται σε πρόσθετη έκθεση σε ιονίζουσα ακτινοβολία.