Lõhustumisahelreaktsiooni tulemusena tekib uraan. Tuuma lõhustumise reaktsioonid ja lõhustumise ahelreaktsioonid

Füüsika tund 9. klassis

"Uraani tuumade lõhustumine. Ahelreaktsioon"

Tunni eesmärk: tutvustada õpilastele uraani aatomituumade lõhustumise protsessi, ahelreaktsiooni mehhanismi.

Ülesanded:

hariv:

uurida uraan-235 tuuma lõhustumise mehhanismi; tutvustada kriitilise massi mõistet; määrata ahelreaktsiooni kulgu määravad tegurid.

hariv:

viia õpilased arusaamiseni teadusavastuste olulisusest ja sellest oht, mis võib tuleneda teaduslikest saavutustest mõtlematu, kirjaoskamatu või ebamoraalse suhtumise korral nendesse.

arendamine:

loogilise mõtlemise arendamine; monoloogi ja dialoogilise kõne arendamine; vaimsete operatsioonide arendamine õpilastel: analüüs, võrdlemine, õppimine. Maailmapildi terviklikkuse idee kujunemine

Tunni tüüp:õppetund.

Pädevused, mille kujundamisele õppetund on suunatud:

väärtus-semantiline - võime näha ja mõista ümbritsevat maailma,

üldkultuur - õpilane omandab teadusliku maailmapildi,

hariduslik ja kognitiivne - võime eristada fakte oletustest,

Suhtlusvõime - grupis töötamise oskus, erinevate sotsiaalsete rollide omamine meeskonnas,

isikliku enesetäiendamise pädevused - mõtlemis- ja käitumiskultuur

Tunni käik: 1. Organisatsioonimoment.

Uus õppetund on tulnud. Ma naeratan sulle ja teie naeratate üksteisele. Ja mõelge: kui hea on, et oleme täna siin kõik koos. Oleme tagasihoidlikud ja lahked, sõbralikud ja südamlikud. Me kõik oleme terved. - Hingake sügavalt sisse ja välja. Hingake välja eilne pahameel, viha ja ärevus. Soovin meile kõigile head õppetundi .

2. Kodutööde kontrollimine.

Test.

1. Mis on tuuma laeng?

1) positiivne 2) negatiivne 3) tuumal puudub laeng

2. Mis on alfaosake?

1) elektron 2) tuuma heeliumi aatom

3) elektromagnetkiirgus

3. Mitu prootonit ja neutronit sisaldab berülliumi aatomi tuum?

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

4. Millise keemilise elemendi tuum tekib raadiumi α - lagunemisel?

Ra → ? + Tema.

1) radoon 2) uraan 3) fermium

5. Tuuma mass on alati ... nende nukleonide masside summa, millest see koosneb.

1) suurem kui 2) võrdne 3) vähem

6. Neutron on osake

1) mille laeng on +1, aatommass on 1;

2) tasu omamine – 1, aatommass 0;

3) mille laeng on 0, aatommass on 1.

7. Määrake tuumareaktsiooni teine korrutis

Vastused: Variant 1. 1)1; 2)2; 3)3; 4)1; 5)3; 6)3; 7)3.

8. Kuidas prootonid tuumas üksteisega elektriliselt interakteeruvad?

9. Mis on massidefekt? Kirjutage valem üles.

10. Mis on sideme energia? Kirjutage valem üles.

Uue materjali õppimine.

Hiljuti saime teada, et mõned keemilised elemendid muutuvad radioaktiivse lagunemise käigus teisteks keemilisteks elementideks. Ja mis te arvate, mis juhtub siis, kui mingi keemilise elemendi aatomi tuumasse suunatakse mingi osake, noh, näiteks neutron uraani tuuma?

1939. aastal avastasid Saksa teadlased Otto Hahn ja Fritz Strassmann uraani tuumade lõhustumise. Nad leidsid, et kui uraani pommitatakse neutronitega, ilmuvad perioodilise süsteemi keskosa elemendid - baariumi (Z = 56), krüptoni (Z = 36) jne radioaktiivsed isotoobid.

Vaatleme üksikasjalikumalt uraani tuuma lõhustumise protsessi neutroniga pommitamisel vastavalt joonisele. Uraani tuuma sisenev neutron neeldub selles. Tuum on erutatud ja hakkab deformeeruma nagu vedelikutilk.

Tuum läheb ergastusseisundisse ja hakkab deformeeruma. Miks südamik laguneb kaheks osaks? Millised jõud põhjustavad katkestuse?

Millised jõud toimivad tuuma sees?

– elektrostaatiline ja tuumaenergia.

Olgu, kuidas siis elektrostaatilised jõud avalduvad?

– Laetud osakeste vahel mõjuvad elektrostaatilised jõud. Laetud osake tuumas on prooton. Kuna prooton on positiivselt laetud, tähendab see, et nende vahel toimivad tõukejõud.

Õige, aga kuidas tuumajõud avalduvad?

-Tuumajõud on tõmbejõud kõigi nukleonide vahel.

Niisiis, milliste jõudude toimel tuum puruneb?

– (Kui on raskusi, esitan suunavaid küsimusi ja suunan õpilased õigete järeldusteni) Elektrostaatiliste tõukejõudude toimel rebeneb tuum kaheks osaks, mis hajuvad eri suundades ja eraldavad 2-3 neutronit.

See venib seni, kuni elektrilised tõukejõud hakkavad tuumajõudude üle domineerima. Tuum laguneb kaheks killuks, paiskades välja kaks või kolm neutronit. See on uraani tuuma lõhustamise tehnoloogia.

Killud hajuvad väga suure kiirusega. Selgub, et osa tuuma siseenergiast muundatakse lendavate fragmentide ja osakeste kineetiliseks energiaks. Killud satuvad keskkonda. Mis sa arvad, mis nendega toimub?

– Fragmendid on keskkonnas aeglustunud.

Et mitte rikkuda energia jäävuse seadust, peame ütlema, mis juhtub kineetilise energiaga?

– Fragmentide kineetiline energia muundatakse keskkonna siseenergiaks.

Kas on võimalik märgata, et meediumi siseenergia on muutunud?

Jah, keskkond soojeneb.

Kuid kas siseenergia muutust mõjutab faktor, et lõhustumises osaleb erinev arv uraani tuumasid?

- Muidugi suureneb suure hulga uraani tuumade samaaegsel lõhustumisel uraani ümbritseva keskkonna siseenergia.

Keemiakursusest tead, et reaktsioonid võivad tekkida nii energia neeldumisel kui ka vabanemisel. Mida saame öelda uraani lõhustumise reaktsiooni kulgemise kohta?

- Uraani tuumade lõhustumise reaktsioon toimub energia vabanemisega keskkonda.

(13. slaid)

Uraan esineb looduses kahe isotoobi kujul: U (99,3%) ja U (0,7%). Sel juhul toimub U-lõhustumise reaktsioon kõige intensiivsemalt aeglastel neutronitel, samal ajal kui U tuumad lihtsalt neelavad neutroni ja lõhustumist ei toimu. Seetõttu on põhihuvi U-tuuma lõhustumisreaktsioon.Praegu on teada umbes 100 erinevat isotoopi massinumbritega umbes 90–145, mis tulenevad selle tuuma lõhustumisest. Selle tuuma kahel tüüpilisel lõhustumisreaktsioonil on järgmine vorm:

Pange tähele, et uraani tuumade lõhustumisel vabanev energia on tohutu. Näiteks 1 kg uraanis sisalduvate tuumade täielikul lõhustumisel vabaneb sama energia kui 3000 tonni kivisöe põletamisel. Pealegi saab seda energiat koheselt vabastada.

(14. slaid)

Sai aru, mis kildudest saab Kuidas neutronid käituvad?

Uraan-235 tuuma lõhustumisel, mis tekib kokkupõrkel neutroniga, eraldub 2 või 3 neutronit. Soodsates tingimustes võivad need neutronid tabada teisi uraani tuumasid ja põhjustada nende lõhustumist. Selles etapis ilmub juba 4–9 neutronit, mis on võimelised tekitama uusi uraanituumade lagunemisi jne. Sellist laviinilaadset protsessi nimetatakse nn. ahelreaktsioon. (Märkmiku sissekanne: Aheltuumareaktsioon- tuumareaktsioonide jada, millest igaüks on põhjustatud osakesest, mis ilmus reaktsiooniproduktina järjestuse eelmises etapis). Uraani tuumade lõhustumise ahelreaktsiooni arenguskeemi käsitletakse üksikasjalikumalt aegluubis olevas videoklipis.

Näeme, et vabade neutronite koguarv uraanitükis suureneb aja jooksul nagu laviin. Milleni see võib viia?

- Plahvatuseni.

Miks?

- Suureneb tuuma lõhustumise arv ja vastavalt ajaühikus vabanev energia.

Aga on ju võimalik ka teine variant, mille puhul vabade neutronite arv aja jooksul väheneb, tuum ei kohanud oma teel neutronit. Sel juhul mis juhtub ahelreaktsiooniga?

- See peatub.

Kas selliste reaktsioonide energiat saab kasutada rahumeelsetel eesmärkidel?

Kuidas reaktsioon peaks kulgema?

Reaktsioon peab kulgema nii, et neutronite arv jääks aja jooksul muutumatuks.

Kuidas on võimalik tagada, et neutronite arv püsiks kogu aeg konstantne?

– (meeste soovitused)

Selle probleemi lahendamiseks on vaja teada, millised tegurid mõjutavad vabade neutronite koguarvu suurenemist ja vähenemist uraanitükis, milles toimub ahelreaktsioon.

(15. slaid)

Üks neist teguritest on uraani mass . Fakt on see, et mitte iga tuuma lõhustumise käigus eralduv neutron ei põhjusta teiste tuumade lõhustumist. Kui uraanitüki mass (ja vastavalt ka suurus) on liiga väike, lendab sellest välja palju neutroneid, kellel pole aega teel tuumaga kohtuda, põhjustades selle lõhustumise ja seega uue reaktsiooni jätkamiseks vajalike neutronite teke. Sel juhul ahelreaktsioon peatub. Reaktsiooni jätkumiseks on vaja suurendada uraani massi teatud väärtuseni, nn kriitiline.

Miks saab massi suurenemisega võimalikuks ahelreaktsioon?

Ahelreaktsiooni tekkimiseks on vajalik, et nn korrutustegur neutronite arv oli suurem kui üks. Teisisõnu, igas järgmises põlvkonnas peaks olema rohkem neutroneid kui eelmises. Korrutusteguri ei määra mitte ainult igas elementaarsündmuses tekkivate neutronite arv, vaid ka reaktsiooni kulgemise tingimused – osa neutroneid võivad neelduda teistesse tuumadesse või lahkuda reaktsioonitsoonist. Uraan-235 tuumade lõhustumisel vabanevad neutronid võivad põhjustada ainult sama uraani tuumade lõhustumist, mis moodustab ainult 0,7% looduslikust uraanist. Sellest kontsentratsioonist ei piisa ahelreaktsiooni käivitamiseks. U isotoop suudab ka neutroneid absorbeerida, kuid ahelreaktsiooni ei toimu.

( Märkmiku sissekanne: Neutronite korrutustegurk - järgmise põlvkonna neutronite arvu ja eelmise põlvkonna neutronite arvu suhe kogu neutroneid paljundava keskkonna mahus)

Ahelreaktsioon suure uraan-235 sisaldusega uraanis saab areneda ainult siis, kui uraani mass ületab nn kriitilise massi. Väikestes uraanitükkides lendab enamik neutroneid välja, ilma et see tabaks ühtegi tuuma. Puhta uraan-235 puhul on kriitiline mass umbes 50 kg.

( Märkmiku sissekanne: Kriitiline mass– lõhustuva materjali minimaalne kogus, mis on vajalik isemajanduva lõhustumise ahelreaktsiooni käivitamiseks).

(16. slaid)

Uraani kriitilist massi saab kordades vähendada nn neutronmoderaatorite abil. Fakt on see, et uraani tuumade lagunemisel tekkivad neutronid on liiga suure kiirusega ja aeglaste neutronite kinnipüüdmise tõenäosus uraan-235 tuumade poolt on sadu kordi suurem kui kiiretel. Parim neutronite moderaator on raske vesi H 2 O. Neutronitega suheldes muutub tavaline vesi ise raskeks veeks.

Hea moderaator on ka grafiit, mille tuumad ei neela neutroneid. Elastsel interaktsioonil deuteeriumi või süsiniku tuumadega aeglustavad neutronid nende liikumist.

Neutronimoderaatorite ja spetsiaalse neutroneid peegeldava berülliumkesta kasutamine võimaldab vähendada kriitilist massi 250 g-ni (0,25 kg).

Märkmiku sissekanne:

Kriitilist massi saab vähendada, kui:

Kasutage aeglustajaid (grafiit, tavaline ja raske vesi)

Peegeldav kest (berüllium)).

Ja aatomipommides toimub kontrollimatu ahelreaktsioon, kui kiiresti ühendatakse kaks uraan-235 tükki, millest igaühe mass on kriitilisest veidi väiksem.

Aatomipomm on kohutav relv. Mille kahjustavad tegurid on: 1) Valguskiirgus (sh siinjuures röntgen- ja soojuskiirgus); 2) lööklaine; 3) piirkonna kiirgussaaste. Kuid uraani tuumade lõhustamist kasutatakse ka rahumeelsetel eesmärkidel - seda tuumaelektrijaamade tuumareaktorites. Nendel juhtudel toimuvaid protsesse käsitleme järgmises õppetükis.

20. sajandi keskpaik on määratletud teaduse kiirenemisega: fantastiline kiirendus, teadussaavutuste toomine tootmisse ja meie ellu. Kõik see paneb mõtlema – mida teadus meile homme annab?
Leevendada kõiki inimeksistentsi raskusi – see on tõeliselt progressiivse teaduse peamine eesmärk. Et muuta inimkond õnnelikumaks – mitte üks, mitte kaks, vaid inimkond. Ja see on väga oluline, sest teadupärast võib teadus ka inimese vastu tegutseda. Aatomiplahvatus Jaapani linnades – Hiroshimas ja Nagasakis on selle traagiline näide.

Niisiis, 1945, august. Teine maailmasõda hakkab lõppema.

(slaid 2)

6. augustil kell 1.45 tõusis Hiroshimast umbes 6 tunni kaugusel asuvalt saarelt õhku Ameerika pommitaja B-29, mida juhtis kolonel Paul Tibbets.

(Slaid 3)

Hiroshima pärast aatomiplahvatust.

Kelle vari sinna nähtamatult rändab,
Kas sa oled ebaõnne eest pime?
See Hiroshima nutab
Tuhapilved.
Kelle hääl on seal kuumas pimeduses
Olete meeletult kuulnud?
See Nagasaki nutab
Põlenud maal
Selles nutmises ja nutmises
Vale pole olemas
Kogu maailm on ootuses tardunud -
Kes järgmisena nutab?

(4. slaid)

Plahvatuse otseses mõjus hukkunute arv oli 70–80 tuhat inimest. 1945. aasta lõpuks oli radioaktiivse saastumise ja muude plahvatuse järelmõjude tõttu hukkunute koguarv 90–166 tuhat inimest. Viie aasta pärast ulatus hukkunute koguarv 200 000 inimeseni.

(5. slaid)

USA president Truman teatas 6. augustil pärast uudiste saamist Hiroshima edukast aatomipommirünnakust

"Oleme nüüd valmis hävitama veelgi kiiremini ja täielikumalt kui varem kõik Jaapani maismaa tootmisüksused mis tahes linnas. Me hävitame nende dokid, tehased ja side. Ärge olge arusaamatust – me hävitame täielikult Jaapani sõjapidamise."

(6. slaid)

9. augustil kell 2.47 tõusis saarelt õhku USA pommitaja B-29 majori juhtimisel, mille pardal oli aatomipomm. Kell 10:56 saabus B-29 Nagasakisse. Plahvatus toimus kohaliku aja järgi kell 11.02.

(Slaid 7)

1945. aasta lõpuks oli hukkunute arv 60–80 tuhat inimest. Viie aasta pärast võib surmajuhtumite koguarv, sealhulgas vähktõve ja plahvatuse muude pikaajaliste tagajärgede tõttu hukkunute arv, ulatuda 140 000 inimeseni või isegi ületada.

Selline on lugu, kurb ja hoiatav

Iga inimene pole saar,

iga inimene on osa suurest kontinendist.
Ja ärge kunagi küsige, kelle eest kell helistab.
Ta kutsub sind...

Konsolideerimine.

Mida me täna tunnis õppisime? (uraani tuumade lõhustumise mehhanismiga, ahelreaktsiooniga)

Millised on ahelreaktsiooni toimumise tingimused?

Mis on kriitiline mass?

Mis on korrutustegur?

Mis toimib neutronite moderaatorina?

Peegeldus.

Millise tujuga tunnist lahkute?

Hindamine.

Kodutöö: lk 74.75, küsimused lk 252-253

Aheltuumareaktsioon. Uraani neutronkiirguse katsete tulemusena leiti, et neutronite toimel jagunevad uraani tuumad kaheks tuumaks (fragmendiks), mille mass ja laeng on ligikaudu pooled; selle protsessiga kaasneb mitme (kahe või kolme) neutroni emissioon (joonis 402). Lisaks uraanile on lõhustumisvõimelised veel mõned elemendid Mendelejevi perioodilise süsteemi viimastest elementidest. Need elemendid, nagu uraan, lõhustuvad mitte ainult neutronite mõjul, vaid ka ilma välismõjudeta (spontaanselt). Spontaanse lõhustumise rajasid katseliselt Nõukogude füüsikud K. A. Petržak ja Georgi Nikolajevitš Flerov (s. 1913) 1940. aastal. See on väga haruldane protsess. Seega toimub 1 g uraanis ainult umbes 20 spontaanset lõhustumist tunnis.

Riis. 402. Uraani tuuma lõhustumine neutronite mõjul: a) tuum haarab kinni neutroni; b) neutroni mõju tuumale põhjustab viimase võnkumise; c) tuum on jagatud kaheks fragmendiks; emiteeritakse rohkem neutroneid.

Vastastikuse elektrostaatilise tõuke tõttu hajuvad lõhustumisfragmendid vastassuundades, omandades tohutu kineetilise energia (umbes ). Lõhustumisreaktsioon toimub seega olulise energia vabanemisega. Kiiresti liikuvad fragmendid ioniseerivad intensiivselt keskkonna aatomeid. Seda fragmentide omadust kasutatakse lõhustumisprotsesside tuvastamiseks ionisatsioonikambri või pilvekambri abil. Pilvekambris olevate lõhustumise fragmentide jälgede foto on näidatud joonisel fig. 403. On äärmiselt oluline, et uraani tuuma lõhustumisel eralduvad neutronid (nn sekundaarse lõhustumise neutronid) on võimelised põhjustama uute uraanituumade lõhustumist. Tänu sellele on võimalik läbi viia lõhustumisahelreaktsioon: kui reaktsioon on tekkinud, võib reaktsioon põhimõtteliselt jätkuda iseenesest, hõlmates järjest suuremat hulka tuumasid. Sellise kasvava tselloni reaktsiooni arendusskeem on näidatud joonisel fig. 404.

Riis. 403. Foto uraani lõhustumise fragmentide jälgedest pilvekambris: killud () hajuvad vastassuundades õhukesest uraanikihist, mis on ladestunud kambrit blokeerivale plaadile. Pildil on näha ka palju õhemaid jälgi, mis kuuluvad kambris sisalduvate veeautomolekulide neutronite poolt välja löödud prootonitele.

Lõhustumise ahelreaktsiooni läbiviimine ei ole praktikas lihtne; Kogemused näitavad, et loodusliku uraani massis ahelreaktsiooni ei toimu. Selle põhjuseks on sekundaarsete neutronite kadu; looduslikus uraanis on enamik neutroneid mängust väljas, põhjustamata lõhustumist. Nagu uuringud on näidanud, toimub neutronite kadu uraani kõige tavalisemas isotoobis - uraanis - 238 (). See isotoop neelab kergesti neutroneid reaktsioonis, mis sarnaneb hõbeda reaktsiooniga neutronitega (vt § 222); see tekitab kunstlikult radioaktiivse isotoobi. See jaguneb vaevaliselt ja ainult kiirete neutronite toimel.

Looduslikus uraanis teatud koguses sisalduval isotoobil on ahelreaktsiooni jaoks edukamad omadused. See jaguneb mis tahes energiaga neutronite toimel - kiire ja aeglane ning mida parem, seda madalam on neutronite energia. Lõhustumisega konkureeriv protsess – neutronite lihtne neeldumine – on erinevalt ebatõenäoline. Seetõttu on puhtas uraan-235-s võimalik lõhustumise ahelreaktsioon, eeldusel, et uraan-235 mass on piisavalt suur. Madala massiga uraanis lõpeb lõhustumisreaktsioon sekundaarsete neutronite emissiooni tõttu väljaspool selle ainet.

Riis. 404. Väärtusliku lõhustumisreaktsiooni väljatöötamine: Tinglikult aktsepteeritakse, et tuuma lõhustumisel eraldub kaks neutronit ja neutronikaod puuduvad, s.t. iga neutron põhjustab uue lõhustumise; ringid - lõhustumise fragmendid, nooled - lõhustumise neutronid

Tõepoolest, aatomituumade väikese suuruse tõttu läbib neutron aines pika vahemaa (mõõdetuna sentimeetrites), enne kui ta kogemata tuuma tabab. Kui kere mõõtmed on väikesed, siis on kokkupõrke tõenäosus teel väljapääsuni väike. Peaaegu kõik sekundaarse lõhustumise neutronid lendavad läbi keha pinna välja uusi lõhustumisi tekitamata, s.t reaktsiooni jätkamata.

Suurte mõõtmetega kehast lendavad välja peamiselt pinnakihis tekkivad neutronid. Keha sees tekkinud neutronid on ees piisava paksusega uraani ja põhjustavad enamasti uusi lõhustumisi, jätkates reaktsiooni (joonis 405). Mida suurem on uraani mass, seda väiksem on ruumala osa pinnakiht, millest kaob palju neutroneid, ja seda soodsamad on tingimused ahelreaktsiooni tekkeks.

Riis. 405. Lõhustumise ahelreaktsiooni arendamine aastal. a) Väikeses massis lendab enamik lõhustumisneutroneid välja. b) Uraani suures massis põhjustavad paljud lõhustumisneutronid uute tuumade lõhustumise; jaotuste arv suureneb põlvest põlve. Ringid – lõhustumise fragmendid, nooled – lõhustumise neutronid

Kogust järk-järgult suurendades jõuame kriitilise massini ehk väikseima massini, millest alates on võimalik pidev lõhustumise ahelreaktsioon. Massi edasise suurenemisega hakkab reaktsioon kiiresti arenema (algatab spontaanse lõhustumise). Kui mass langeb alla kriitilise väärtuse, reaktsioon laguneb.

Seega saate läbi viia lõhustumise ahelreaktsiooni. Kui teil on piisavalt puhast, eraldatud.

Nagu nägime §202-st, on isotoopide eraldamine keeruline ja kulukas operatsioon, kuid siiski võimalik. Tõepoolest, looduslikust uraanist ekstraheerimine oli üks viise, kuidas lõhustumise ahelreaktsiooni praktikas rakendati.

Koos sellega saavutati ahelreaktsioon muul viisil, mis ei nõudnud uraani isotoopide eraldamist. See meetod on põhimõtteliselt mõnevõrra keerulisem, kuid lihtsam rakendada. See kasutab kiirete sekundaarsete lõhustumise neutronite aeglustumist soojusliikumise kiirustele. Oleme näinud, et isotoop neeldub looduslikus uraanis peamiselt sekundaarsed neutronid. Kuna imendumine ei too kaasa lõhustumist, siis reaktsioon lõpeb. Mõõtmised näitavad, et kui neutroneid aeglustada soojuskiirusteni, suureneb neeldumisvõimsus rohkem kui neeldumisvõimsus. Neutronite neeldumine isotoobi poolt, mis viib lõhustumiseni, saab ülekaalu. Seega, kui lõhustumise neutroneid aeglustada, takistades nende imendumist , muutub loodusliku uraaniga võimalikuks ahelreaktsioon.

Riis. 406. Loodusliku uraani süsteem ja aeglusti, milles saab areneda lõhustumise ahelreaktsioon

Praktikas saavutatakse see tulemus loodusliku uraani suitsutorude asetamisega moderaatorisse haruldase võre kujul (joonis 406). Moderaatoritena kasutatakse aineid, millel on madal aatommass ja nõrgalt neelduvad neutronid. Head moderaatorid on grafiit, raske vesi, berüllium.

Uraani tuuma lõhustumine olgu ühes varras. Kuna varras on suhteliselt õhuke, lendavad kiired sekundaarsed neutronid peaaegu kõik moderaatorisse. Vardad paiknevad võres üsna harva. Enne uue varda tabamist kogeb emiteeritud neutron palju kokkupõrkeid moderaatori tuumadega ja aeglustub soojusliikumise kiiruseni (joonis 407). Olles seejärel tabanud uraani varda, neeldub neutron suure tõenäosusega ja põhjustab uue lõhustumise, jätkates seeläbi reaktsiooni. Lõhustumisahelreaktsioon viidi esmakordselt läbi USA-s 1942. aastal. rühm teadlasi, mida juhtis itaalia füüsik Enrico Fermi (1901-1954) loodusliku uraaniga süsteemis. See protsess viidi NSV Liidus iseseisvalt ellu 1946. aastal. Akadeemik Igor Vasilievich Kurchatov (1903-1960) koos töötajatega.

Riis. 407. Väärtusliku lõhustumisreaktsiooni väljatöötamine loodusliku uraani ja moderaatori süsteemis. Peenikesest vardast välja lendav kiire neutron tabab moderaatorit ja aeglustab. Taas kord uraanis neeldub aeglustunud neutron tõenäoliselt ainesse, põhjustades lõhustumist (sümbol: kaks valget ringi). Mõned neutronid neelduvad, põhjustamata lõhustumist (sümbol: must ring)

Eesmärk: kujundada õpilastes arusaam uraani tuumade lõhustumisest.

kontrollida eelnevalt uuritud materjali;
kaaluda uraani tuuma lõhustumise mehhanismi;
arvesta ahelreaktsiooni toimumise tingimusega;
selgitada välja ahelreaktsiooni kulgu mõjutavad tegurid;
arendada õpilaste kõnet ja mõtlemist;
arendada oskust oma tegevusi etteantud aja jooksul analüüsida, kontrollida ja kohandada.

Varustus: arvuti, projektsioonisüsteem, didaktiline materjal (test “Tuuma koosseis”), kettad “Interaktiivne kursus. Füüsika 7-11kl ”(Fizikon) ja“ 1C-repeater. Füüsika” (1C).

Tunni edenemine

I. Organisatsioonimoment (2 ').

Tervitused, tunniplaani teadaanne.

II. Varem õpitud materjali kordamine (8’).

Õpilaste iseseisev töö - kontrolltöö sooritamine ( 1. lisa ). Testis peate märkima ühe õige vastuse.

III. Uue materjali õppimine (25’). Märkmete tegemine tunni ajal(rakendus 2 ).

Hiljuti saime teada, et mõned keemilised elemendid muutuvad radioaktiivse lagunemise käigus teisteks keemilisteks elementideks. Ja mis te arvate, mis juhtub siis, kui mingi osakese suunatakse mingi keemilise elemendi aatomi tuuma, noh, näiteks neutron uraani tuuma? (kuula õpilaste soovitusi)

Kontrollime teie eeldusi (töötage interaktiivse mudeliga "Tuuma lõhustumine"“Interaktiivne kursus. Füüsika 7-11kl” ).

Mis oli tulemus?

- Kui neutron tabab uraani tuuma, näeme, et selle tulemusena tekib 2 fragmenti ja 2-3 neutronit.

Sama efekti saavutasid 1939. aastal Saksa teadlased Otto Hahn ja Fritz Strassmann. Nad leidsid, et neutronite interaktsiooni tulemusena uraani tuumadega tekivad radioaktiivsete fragmentide tuumad, mille massid ja laengud on ligikaudu pooled uraani tuumade vastavatest omadustest. Sel viisil toimuvat tuuma lõhustumist nimetatakse sundlõhustumiseks, erinevalt spontaansest lõhustumisest, mis toimub looduslike radioaktiivsete transformatsioonide käigus.

Tuum läheb ergastusseisundisse ja hakkab deformeeruma. Miks südamik laguneb kaheks osaks? Millised jõud põhjustavad katkestuse?

Millised jõud toimivad tuuma sees?

– elektrostaatiline ja tuumaenergia.

Olgu, kuidas siis elektrostaatilised jõud avalduvad?

– Laetud osakeste vahel mõjuvad elektrostaatilised jõud. Laetud osake tuumas on prooton. Kuna prooton on positiivselt laetud, tähendab see, et nende vahel toimivad tõukejõud.

Õige, aga kuidas tuumajõud avalduvad?

-Tuumajõud on tõmbejõud kõigi nukleonide vahel.

Niisiis, milliste jõudude toimel tuum puruneb?

- (Kui on raskusi, esitan suunavaid küsimusi ja suunan õpilased õigele järeldusele) Elektrostaatiliste tõukejõudude mõjul rebeneb tuum kaheks osaks, mis hajuvad eri suundades ja kiirgavad 2-3 neutronit.

– Fragmendid on keskkonnas aeglustunud.

Et mitte rikkuda energia jäävuse seadust, peame ütlema, mis juhtub kineetilise energiaga?

– Fragmentide kineetiline energia muundatakse keskkonna siseenergiaks.

Kas on võimalik märgata, et meediumi siseenergia on muutunud?

Jah, keskkond soojeneb.

Kuid kas siseenergia muutust mõjutab faktor, et lõhustumises osaleb erinev arv uraani tuumasid?

- Muidugi suureneb suure hulga uraani tuumade samaaegsel lõhustumisel uraani ümbritseva keskkonna siseenergia.

Keemiakursusest tead, et reaktsioonid võivad tekkida nii energia neeldumisel kui ka vabanemisel. Mida saame öelda uraani lõhustumise reaktsiooni kulgemise kohta?

- Uraani tuumade lõhustumise reaktsioon toimub energia vabanemisega keskkonda.

Aatomite tuumades sisalduv energia on kolossaalne. Näiteks kõigi 1 g uraani tuumade täielikul lõhustumisel vabaneks sama palju energiat, kui eraldub 2,5 tonni nafta põletamisel. Sai aru, mis kildudest saab Kuidas neutronid käituvad?

– (Kuulan õpilaste eeldusi, kontrollin eeldusi, töötades interaktiivse mudeliga “Ahelreaktsioon”"1C repiiter. Füüsika" ).

Tõsi, teel olevad neutronid võivad kohtuda uraani tuumadega ja põhjustada lõhustumist. Sellist reaktsiooni nimetatakse ahelreaktsiooniks.

Niisiis, mis on ahelreaktsiooni tekkimise tingimus?

- Ahelreaktsioon on võimalik tänu sellele, et iga tuuma lõhustumisel tekib 2-3 neutronit, mis võivad osaleda teiste tuumade lõhustumises.

Näeme, et vabade neutronite koguarv uraanitükis suureneb aja jooksul nagu laviin. Milleni see võib viia?

- Plahvatuseni.

- Suureneb tuuma lõhustumise arv ja vastavalt ajaühikus vabanev energia.

Aga on ju võimalik ka teine variant, mille puhul vabade neutronite arv aja jooksul väheneb, tuum ei kohanud oma teel neutronit. Sel juhul mis juhtub ahelreaktsiooniga?

- See peatub.

Kas selliste reaktsioonide energiat saab kasutada rahumeelsetel eesmärkidel?

Kuidas reaktsioon peaks kulgema?

Reaktsioon peab kulgema nii, et neutronite arv jääks aja jooksul muutumatuks.

Kuidas on võimalik tagada, et neutronite arv püsiks kogu aeg konstantne?

- (laste soovitused)

Selle probleemi lahendamiseks on vaja teada, millised tegurid mõjutavad vabade neutronite koguarvu suurenemist ja vähenemist uraanitükis, milles toimub ahelreaktsioon.

Üks neist teguritest on uraani mass . Fakt on see, et mitte iga tuuma lõhustumise käigus eralduv neutron ei põhjusta teiste tuumade lõhustumist. Kui uraanitüki mass (ja vastavalt ka suurus) on liiga väike, lendab sellest välja palju neutroneid, kellel pole aega teel tuumaga kohtuda, põhjustavad selle lõhustumise ja tekitavad seega uue põlvkonna reaktsiooni jätkamiseks vajalikud neutronid. Sel juhul ahelreaktsioon peatub. Reaktsiooni jätkumiseks on vaja suurendada uraani massi teatud väärtuseni, nn kriitiline.

Miks saab massi suurenemisega võimalikuks ahelreaktsioon?

– Mida suurem on tüki mass, seda suurem on tõenäosus, et neutronid kohtuvad tuumaga. Sellest lähtuvalt suureneb tuuma lõhustumiste arv ja emiteeritud neutronite arv.

Teatud nn uraani kriitilise massi juures võrdub tuumade lõhustumisel ilmunud neutronite arv kaotatud neutronite arvuga (st lõhustumata tuumade poolt kinni võetud ja tükist välja lendavate neutronite arvuga).

Seetõttu jääb nende koguarv muutumatuks. Sel juhul võib ahelreaktsioon kesta kaua, peatumata ja plahvatusohtlikku iseloomu omandamata.

Väiksemat uraani massi, mille juures on võimalik ahelreaktsioon, nimetatakse kriitiliseks massiks.

Kuidas reaktsioon kulgeb, kui uraani mass on suurem kui kriitiline mass?

– Vabade neutronite arvu järsu suurenemise tulemusena viib ahelreaktsioon plahvatuseni.

Mis siis, kui see on vähem kriitiline?

Reaktsioon ei toimu vabade neutronite puudumise tõttu.

Neutronite kadu (mis lendavad uraanist välja ilma tuumadega reageerimata) on võimalik vähendada mitte ainult uraani massi suurendamise, vaid ka spetsiaalse peegeldav kest . Selleks asetatakse uraanitükk kesta, mis on valmistatud neutroneid hästi peegeldavast ainest (näiteks berüllium). Sellelt kestalt peegeldudes pöörduvad neutronid tagasi uraani ja võivad osaleda tuuma lõhustumises.

Lisaks massile ja peegeldava kesta olemasolule on veel mitmeid tegureid, millest sõltub ahelreaktsiooni võimalikkus. Näiteks kui tükk uraani sisaldab liiga palju lisandid muud keemilised elemendid, neelavad suurema osa neutronitest ja reaktsioon peatub.

Teine reaktsiooni kulgu mõjutav tegur on Kättesaadavus niinimetatud uraanis neutronite moderaator . Fakt on see, et uraan-235 tuumad lõhustuvad kõige tõenäolisemalt aeglaste neutronite toimel. Tuuma lõhustumisel tekivad kiired neutronid. Kui kiireid neutroneid aeglustada, püütakse enamik neist kinni uraan-235 tuumade poolt, millele järgneb nende tuumade lõhustumine; moderaatoritena kasutatakse selliseid aineid nagu grafiit, kolle, raske vesi ja mõned teised. Need ained ainult aeglustavad neutroneid, peaaegu ilma neid absorbeerimata.

Niisiis, millised on peamised tegurid, mis võivad ahelreaktsiooni kulgu mõjutada?

- Ahelreaktsiooni võimalikkuse määrab uraani mass, selles sisalduvate lisandite hulk, kesta ja moderaatori olemasolu.

Sfäärilise uraan-235 tüki kriitiline mass on ligikaudu 50 kg. Samal ajal on selle raadius vaid 9 cm, kuna uraanil on väga suur tihedus.

Kasutades moderaatorit ja peegeldavat kesta ning vähendades lisandite hulka, on võimalik vähendada uraani kriitilist massi 0,8 kg-ni.

Tuuma lõhustumine on raske aatomi lõhenemine kaheks ligikaudu võrdse massiga fragmendiks, millega kaasneb suure hulga energia vabanemine.

Tuuma lõhustumise avastamisega algas uus ajastu – "aatomiajastu". Selle võimaliku kasutamise potentsiaal ning kasutamisest saadava kasu ja riski suhe ei ole mitte ainult toonud kaasa palju sotsioloogilisi, poliitilisi, majanduslikke ja teaduslikke saavutusi, vaid ka tõsiseid probleeme. Isegi puhtteaduslikust vaatenurgast on tuuma lõhustumise protsess tekitanud suure hulga mõistatusi ja komplikatsioone ning selle täielik teoreetiline seletus on tuleviku küsimus.

Jagamine on tulus

Sidumisenergiad (nukleoni kohta) erinevad erinevate tuumade puhul. Raskematel on madalam sidumisenergia kui neil, mis asuvad perioodilisuse tabeli keskel.

See tähendab, et raskete tuumade puhul, mille aatomnumber on suurem kui 100, on kasulik jagada kaheks väiksemaks fragmendiks, vabastades seeläbi energia, mis muundub fragmentide kineetiliseks energiaks. Seda protsessi nimetatakse jagamiseks

Stabiilsuskõvera järgi, mis näitab stabiilsete nukliidide korral prootonite arvu sõltuvust neutronite arvust, eelistavad raskemad tuumad rohkem neutroneid (võrreldes prootonite arvuga) kui kergemad. See viitab sellele, et koos lõhenemisprotsessiga eralduvad mõned "varu" neutronid. Lisaks võtavad nad endale ka osa vabanenud energiast. Uraani aatomi tuuma lõhustumise uuring näitas, et eraldub 3-4 neutronit: 238 U → 145 La + 90 Br + 3n.

Fragmendi aatomarv (ja aatommass) ei ole võrdne poolega lähteaine aatommassist. Tavaliselt on lõhenemise tulemusena tekkinud aatomite masside vahe umbes 50. Tõsi, selle põhjus pole veel päris selge.

238 U, 145 La ja 90 Br sidumisenergiad on vastavalt 1803, 1198 ja 763 MeV. See tähendab, et selle reaktsiooni tulemusena vabaneb uraani tuuma lõhustumisenergia, mis on võrdne 1198 + 763-1803 = 158 MeV.

Spontaanne jagunemine

Spontaanse lõhenemise protsessid on looduses teada, kuid need on väga haruldased. Selle protsessi keskmine eluiga on umbes 10 17 aastat ja näiteks sama radionukliidi alfalagunemise keskmine eluiga on umbes 10 11 aastat.

Põhjus on selles, et kaheks osaks jagunemiseks tuleb tuum esmalt deformeerida (venitada) ellipsoidikujuliseks ning seejärel enne lõplikku kaheks killuks jagunemist moodustada keskele “kael”.

Potentsiaalne barjäär

Deformeerunud olekus mõjub südamikule kaks jõudu. Üks on suurenenud pinnaenergia (vedeliku tilga pindpinevus seletab selle sfäärilist kuju) ja teine on Coulombi tõrjumine lõhustumisfragmentide vahel. Koos tekitavad nad potentsiaalse barjääri.

Nagu alfalagunemise puhul, peavad fragmendid selle barjääri ületama selleks, et toimuks uraani aatomi tuuma iseeneslik lõhustumine, kasutades kvanttunneldamist. Barjäär on umbes 6 MeV, nagu alfalagunemise puhul, kuid alfaosakese tunnelimise tõenäosus on palju suurem kui palju raskema aatomi lõhustumisprodukti puhul.

sunnitud poolitamine

Palju tõenäolisem on uraani tuuma indutseeritud lõhustumine. Sel juhul kiiritatakse lähtetuuma neutronitega. Kui vanem neelab selle, siis nad seovad, vabastades sidumisenergia vibratsioonienergia kujul, mis võib ületada potentsiaalse barjääri ületamiseks vajalikku 6 MeV.

Kui täiendava neutroni energiast ei piisa potentsiaalse barjääri ületamiseks, peab langeval neutronil olema minimaalne kineetiline energia, et ta saaks indutseerida aatomi lõhenemist. 238 U korral jääb täiendavate neutronite sidumisenergiat napiks umbes 1 MeV. See tähendab, et uraani tuuma lõhustumise indutseerib ainult neutron, mille kineetiline energia on suurem kui 1 MeV. Teisest küljest on 235 U isotoobil üks paaritu neutron. Kui tuum neelab täiendava, moodustab ta sellega paari ja selle paaristumise tulemusena tekib täiendav sidumisenergia. Sellest piisab, et vabastada tuumale vajalik energiahulk potentsiaalse barjääri ületamiseks ja isotoobi lõhustumine toimub kokkupõrkel mis tahes neutroniga.

beeta lagunemine

Kuigi lõhustumisreaktsioon kiirgab kolm või neli neutronit, sisaldavad fragmendid siiski rohkem neutroneid kui nende stabiilsed isobaarid. See tähendab, et lõhustuvad fragmendid on üldiselt beeta-lagunemise suhtes ebastabiilsed.

Näiteks uraani 238U lõhustumise korral on stabiilne isobaariks A = 145 neodüüm 145Nd, mis tähendab, et lantaani 145La fragment laguneb kolmes etapis, iga kord kiirgades elektroni ja antineutriino, kuni moodustub stabiilne nukliid. Stabiilne isobaar, mille A = 90, on tsirkoonium 90 Zr; seetõttu laguneb broomi 90 Br lõhestav fragment β-lagunemisahela viies etapis.

Need β-lagunemisahelad vabastavad lisaenergiat, mis elektronide ja antineutriinode poolt peaaegu täielikult ära kantakse.

Tuumareaktsioonid: uraani tuumade lõhustumine

Neutronite otsene emissioon nukliidist, kus neid on tuuma stabiilsuse tagamiseks liiga palju, on ebatõenäoline. Asi on selles, et Coulombi tõrjumist ei toimu ja seega kipub pinnaenergia hoidma neutronit vanemaga ühenduses. Siiski juhtub seda mõnikord. Näiteks 90 Br lõhustumisfragment esimeses beetalagunemise etapis toodab krüptoon-90, mis võib olla ergastatud olekus piisavalt energiaga, et ületada pinnaenergia. Sel juhul võib neutronite emissioon toimuda otse krüptoon-89 moodustumisega. β-lagunemise suhtes endiselt ebastabiilne kuni stabiilseks ütrium-89-ks muundamiseni, nii et krüptoon-89 laguneb kolmes etapis.

Uraani tuumade lõhustumine: ahelreaktsioon

Lõhustumisreaktsioonis eralduvad neutronid võivad neelduda teisest lähtetuumast, mis seejärel ise läbib indutseeritud lõhustumise. Uraan-238 puhul väljuvad kolm tekkivat neutronit energiaga alla 1 MeV (uraani tuuma lõhustumisel vabanev energia - 158 MeV - muundub peamiselt lõhustumisfragmentide kineetiliseks energiaks ), nii et need ei saa põhjustada selle nukliidi edasist lõhustumist. Sellegipoolest suudavad haruldase isotoobi 235 U olulise kontsentratsiooni korral need vabad neutronid kinni püüda 235 U tuumad, mis võib tõepoolest põhjustada lõhustumist, kuna sel juhul puudub energialävi, millest allpool lõhustumist ei indutseerita.

See on ahelreaktsiooni põhimõte.

Tuumareaktsioonide tüübid

Olgu k selle ahela etapis n lõhustuva materjali proovis toodetud neutronite arv jagatud etapis n - 1 toodetud neutronite arvuga. See arv sõltub sellest, kui palju etapis n - 1 toodetud neutroneid neeldub tuuma poolt, mis võib olla sunnitud jagunema.

Kui k< 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.

Kui k > 1, siis ahelreaktsioon kasvab seni, kuni kogu lõhustuv materjal on ära kasutatud.See saavutatakse loodusliku maagi rikastamisega, et saada piisavalt suur uraan-235 kontsentratsioon. Sfäärilise proovi puhul suureneb k väärtus neutronite neeldumise tõenäosuse suurenemisega, mis sõltub sfääri raadiusest. Seetõttu peab mass U ületama teatud koguse, et saaks toimuda uraani tuumade lõhustumine (ahelreaktsioon).

Kui k = 1, siis toimub kontrollitud reaktsioon. Seda kasutatakse tuumareaktorites. Protsessi juhitakse jaotades uraani vahel kaadmiumi või boori vardad, mis neelavad enamiku neutronitest (neil elementidel on võime neutroneid kinni püüda). Uraani tuuma lõhustumist juhitakse automaatselt, liigutades vardaid nii, et k väärtus jääb ühega võrdseks.

Klass

Õppetund nr 42-43

Uraani tuumade lõhustumise ahelreaktsioon. Tuumaenergia ja ökoloogia. Radioaktiivsus. Pool elu.

Tuumareaktsioonid

Tuumareaktsioon on aatomituuma interaktsiooni protsess teise tuuma või elementaarosakesega, millega kaasneb tuuma koostise ja struktuuri muutumine ning sekundaarsete osakeste ehk γ-kvantide vabanemine.

Tuumareaktsioonide tulemusena võivad tekkida uued radioaktiivsed isotoobid, mida Maal looduslikes tingimustes ei leidu.

Esimese tuumareaktsiooni viis läbi E. Rutherford 1919. aastal katsetes prootonite tuvastamiseks tuuma lagunemissaadustest (vt § 9.5). Rutherford pommitas lämmastikuaatomeid alfaosakestega. Osakeste põrkumisel toimus tuumareaktsioon, mis kulges järgmise skeemi järgi:

Tuumareaktsioonide käigus mitmed looduskaitseseadused: hoog, energia, nurkimpulss, laeng. Lisaks nendele klassikalistele looduskaitseseadustele kehtib tuumareaktsioonides ka nn säilivusseadus. barüonlaeng(see tähendab nukleonite - prootonite ja neutronite arv). Kehtivad ka mitmed teised tuumafüüsikale ja elementaarosakeste füüsikale omased looduskaitseseadused.

Tuumareaktsioonid võivad kulgeda, kui aatomeid pommitavad kiiresti laetud osakesed (prootonid, neutronid, α-osakesed, ioonid). Esimene sedalaadi reaktsioon viidi läbi 1932. aastal kiirendist saadud suure energiaga prootonite abil:

kus M A ja M B on algproduktide massid, M C ja M D on reaktsiooni lõppproduktide massid. Väärtust ΔM nimetatakse massiviga. Tuumareaktsioonid võivad kulgeda energia vabanemisega (Q > 0) või energia neeldumisega (Q< 0). Во втором случае первоначальная кинетическая энергия исходных продуктов должна превышать величину |Q|, которая называется порогом реакции.

Et tuumareaktsioonil oleks positiivne energiasaagis, spetsiifiline sidumisenergia nukleonid algproduktide tuumades peavad olema väiksemad kui lõppproduktide tuumades olevate nukleonide spetsiifiline sidumisenergia. See tähendab, et ΔM peab olema positiivne.

Tuumaenergia vabastamiseks on kaks põhimõtteliselt erinevat viisi.

1. Raskete tuumade lõhustumine. Vastupidiselt tuumade radioaktiivsele lagunemisele, millega kaasneb α- või β-osakeste emissioon, on lõhustumisreaktsioonid protsess, mille käigus ebastabiilne tuum jaguneb kaheks suureks võrreldava massiga fragmendiks.

1939. aastal avastasid Saksa teadlased O. Hahn ja F. Strassmann uraani tuumade lõhustumise. Fermi alustatud uurimistööd jätkates leidsid nad, et uraani neutronitega pommitamisel tekivad perioodilise süsteemi keskmise osa elemendid - baariumi (Z = 56), krüptoni (Z = 36) jne radioaktiivsed isotoobid.

Uraan esineb looduses kahe isotoobi kujul: (99,3%) ja (0,7%). Neutronitega pommitades võivad mõlema isotoobi tuumad jaguneda kaheks fragmendiks. Sel juhul toimub lõhustumisreaktsioon kõige intensiivsemalt aeglaste (termiliste) neutronitega, samas kui tuumad astuvad lõhustumisreaktsiooni ainult kiirete neutronitega, mille energia suurus on 1 MeV.

Tuumalõhustumine pakub tuumaenergeetikale esmahuvi.Praegu on selle tuuma lõhustumise käigus teada umbes 100 erinevat isotoopi massiarvuga umbes 90–145. Selle tuuma kahel tüüpilisel lõhustumisreaktsioonil on järgmine vorm:

Pange tähele, et neutroni poolt algatatud tuuma lõhustumise tulemusena tekivad uued neutronid, mis võivad põhjustada lõhustumisreaktsioone teistes tuumades. Uraan-235 tuumade lõhustumisproduktideks võivad olla ka teised baariumi, ksenooni, strontsiumi, rubiidiumi jne isotoobid.

Ühe uraani tuuma lõhustumisel vabanev kineetiline energia on tohutu – umbes 200 MeV. Tuuma lõhustumisel vabanevat energiat saab hinnata kasutades spetsiifiline sidumisenergia nukleonid tuumas. Nukleonide spetsiifiline sidumisenergia tuumades massiarvuga A ≈ 240 on umbes 7,6 MeV/nukleon, samas kui tuumades massiarvuga A = 90–145 on erienergia ligikaudu 8,5 MeV/nukleoni kohta. Seetõttu vabaneb uraani tuuma lõhustumisel energia suurusjärgus 0,9 MeV nukleoni kohta ehk ligikaudu 210 MeV uraani aatomi kohta. Kõigi 1 g uraanis sisalduvate tuumade täielikul lõhustumisel vabaneb sama energia kui 3 tonni kivisöe või 2,5 tonni nafta põletamisel.

Uraani tuuma lõhustumissaadused on ebastabiilsed, kuna sisaldavad märkimisväärsel hulgal neutroneid. Tõepoolest, kõige raskemate tuumade suhe N / Z on umbes 1,6 (joonis 9.6.2), tuumade massiarvuga 90–145 puhul on see suhe umbes 1,3–1,4. Seetõttu kogevad fragmendi tuumad järjestikuseid β-lagunemisi, mille tulemusena prootonite arv tuumas suureneb ja neutronite arv väheneb, kuni moodustub stabiilne tuum.

Joonis 9.8.1. Ahelreaktsiooni arendamise skeem.

Ahelreaktsiooni tekkimiseks on vajalik, et nn neutronite korrutustegur oli suurem kui üks. Teisisõnu, igas järgmises põlvkonnas peaks olema rohkem neutroneid kui eelmises. Korrutusteguri ei määra mitte ainult igas elementaarsündmuses tekkivate neutronite arv, vaid ka reaktsiooni kulgemise tingimused – osa neutroneid võivad neelduda teistesse tuumadesse või lahkuda reaktsioonitsoonist. Uraan-235 tuumade lõhustumisel vabanevad neutronid võivad põhjustada ainult sama uraani tuumade lõhustumist, mis moodustab ainult 0,7% looduslikust uraanist. Sellest kontsentratsioonist ei piisa ahelreaktsiooni käivitamiseks. Isotoop võib ka neutroneid absorbeerida, kuid ahelreaktsiooni ei toimu.

Ahelreaktsioon suure uraan-235 sisaldusega uraanis saab areneda alles siis, kui uraani mass ületab nn. kriitiline mass. Väikestes uraanitükkides lendab enamik neutroneid välja, ilma et see tabaks ühtegi tuuma. Puhta uraan-235 puhul on kriitiline mass umbes 50 kg. Uraani kriitilist massi saab kordades vähendada, kasutades nn moderaatorid neutronid. Fakt on see, et uraani tuumade lagunemisel tekkivad neutronid on liiga suure kiirusega ja aeglaste neutronite kinnipüüdmise tõenäosus uraan-235 tuumade poolt on sadu kordi suurem kui kiiretel. Parim neutronite moderaator on raske vesi D 2 O. Suheldes neutronitega muutub tavaline vesi ise raskeks veeks.

Hea moderaator on ka grafiit, mille tuumad ei neela neutroneid. Elastsel interaktsioonil deuteeriumi või süsiniku tuumadega aeglustuvad neutronid termiliste kiirusteni.

Neutronimoderaatorite ja spetsiaalse neutroneid peegeldava berülliumi kesta kasutamine võimaldab kriitilist massi vähendada 250 g-ni.

Aatomipommides toimub kontrollimatu tuumaahelreaktsioon, kui kiiresti ühinevad kaks uraan-235 tükki, millest igaühe mass on veidi alla kriitilise.

Seadet, mis säilitab kontrollitud tuuma lõhustumise reaktsiooni, nimetatakse tuumaenergia(või aatomiline) reaktor. Aeglastel neutronitel töötava tuumareaktori skeem on näidatud joonisel fig. 9.8.2.

Joonis 9.8.2. Tuumareaktori seadme skeem.

Tuumareaktsioon toimub reaktori südamikus, mis on täidetud moderaatoriga ja läbistatud varrastega, mis sisaldavad suure uraan-235 sisaldusega (kuni 3%) uraaniisotoopide rikastatud segu. Südamikku sisestatakse kaadmiumi või boori sisaldavad kontrollvardad, mis neelavad intensiivselt neutroneid. Varraste sisestamine südamikusse võimaldab teil kontrollida ahelreaktsiooni kiirust.

Südamikku jahutatakse pumbatava jahutusvedelikuga, milleks võib olla vesi või madala sulamistemperatuuriga metall (näiteks naatrium, mille sulamistemperatuur on 98 °C). Aurugeneraatoris kannab soojuskandja soojusenergiat veele, muutes selle kõrgsurveauruks. Aur suunatakse elektrigeneraatoriga ühendatud turbiini. Turbiinist siseneb aur kondensaatorisse. Kiirguse lekke vältimiseks töötavad jahutusvedeliku I ja aurugeneraatori II ahelad suletud tsüklitena.

Tuumaelektrijaama turbiin on soojusmasin, mis määrab vastavalt termodünaamika teisele seadusele jaama üldise kasuteguri. Kaasaegsetes tuumaelektrijaamades on kasutegur ligikaudu võrdne, mistõttu 1000 MW elektrienergia tootmiseks peab reaktori soojusvõimsus ulatuma 3000 MW-ni. 2000 MW peab ära kandma kondensaatorit jahutav vesi. See toob kaasa looduslike veekogude lokaalse ülekuumenemise ja sellele järgneva keskkonnaprobleemide esilekerkimise.

Peamiseks probleemiks on aga tuumajaamades töötavate inimeste täieliku kiirgusohutuse tagamine ning reaktori südamikus suurtes kogustes kogunevate radioaktiivsete ainete juhusliku sattumise vältimine. Tuumareaktorite arendamisel pööratakse sellele probleemile palju tähelepanu. Sellest hoolimata on pärast õnnetusi mõnes tuumaelektrijaamas, eriti Pennsylvania tuumaelektrijaamas (USA, 1979) ja Tšernobõli tuumaelektrijaamas (1986), muutunud tuumaenergia ohutuse probleem eriti teravaks.

Eespool kirjeldatud aeglastel neutronitel töötava tuumareaktori kõrval pakuvad suurt praktilist huvi reaktorid, mis töötavad kiiretel neutronitel ilma moderaatorita. Sellistes reaktorites on tuumkütuseks rikastatud segu, mis sisaldab vähemalt 15% isotoopi.Kiireneutronreaktorite eeliseks on see, et nende töötamise käigus muunduvad neutroneid neelavad uraan-238 tuumad kahe järjestikuse β-lagunemise kaudu plutooniumiks. tuumad, mida saab seejärel kasutada tuumakütusena:

Selliste reaktorite aretussuhe ulatub 1,5-ni, see tähendab, et 1 kg uraan-235 kohta saadakse kuni 1,5 kg plutooniumi. Tavalised reaktorid toodavad ka plutooniumi, kuid palju väiksemates kogustes.

Esimene tuumareaktor ehitati 1942. aastal USA-s E. Fermi juhtimisel. Meie riigis ehitati IV Kurtšatovi juhtimisel esimene reaktor 1946. aastal.

2. termotuumareaktsioonid. Teine viis tuumaenergia vabastamiseks on seotud termotuumasünteesi reaktsioonidega. Kergete tuumade ühinemisel ja uue tuuma moodustumisel peaks vabanema suur hulk energiat. Seda on näha spetsiifilise sidumisenergia sõltuvusest massiarvust A (joonis 9.6.1). Kuni tuumadeni, mille massiarv on umbes 60, suureneb nukleonide spetsiifiline sidumisenergia A suurenemisega. Seetõttu on iga A-ga tuuma süntees< 60 из более легких ядер должен сопровождаться выделением энергии. Общая масса продуктов реакции синтеза будет в этом случае меньше массы первоначальных частиц.

Kergete tuumade ühinemisreaktsioone nimetatakse termotuumareaktsioonid, kuna need saavad voolata ainult väga kõrgetel temperatuuridel. Selleks, et kaks tuuma saaksid ühineda, peavad nad lähenema tuumajõudude toimekaugusele suurusjärgus 2,10–15 m, ületades oma positiivsete laengute elektrilise tõrjumise. Selleks peab molekulide soojusliikumise keskmine kineetiline energia ületama Coulombi interaktsiooni potentsiaalse energia. Selle jaoks vajaliku temperatuuri T arvutamisel saadakse väärtus suurusjärgus 10 8 – 10 9 K. Tegemist on äärmiselt kõrge temperatuuriga. Sellel temperatuuril on aine täielikult ioniseeritud olekus, mida nimetatakse plasma.

Termotuumareaktsioonides vabanev energia nukleoni kohta on mitu korda suurem kui tuuma lõhustumise ahelreaktsioonides vabanev erienergia. Nii näiteks deuteeriumi ja triitiumi tuumade ühinemisreaktsioonis

Vabaneb 3,5 MeV/nukleon. Kokku vabaneb selles reaktsioonis 17,6 MeV. See on üks paljutõotavamaid termotuumareaktsioone.

Rakendamine kontrollitud termotuumareaktsioonid annab inimkonnale uue keskkonnasõbraliku ja praktiliselt ammendamatu energiaallika. Ülikõrgete temperatuuride saavutamine ja miljardi kraadini kuumutatud plasma piiramine on aga kõige keerulisem teaduslik ja tehniline ülesanne juhitava termotuumasünteesi rakendamisel.

Teaduse ja tehnoloogia arengu praeguses etapis ainult kontrollimatu fusioonireaktsioon vesinikupommis. Tuumasünteesiks vajalik kõrge temperatuur saavutatakse siin tavapärase uraani- või plutooniumipommi lõhkamisega.

Termotuumareaktsioonidel on Universumi evolutsioonis äärmiselt oluline roll. Päikese ja tähtede kiirgusenergia on termotuuma päritolu.

Radioaktiivsus

Peaaegu 90% teadaolevast 2500 aatomituumast on ebastabiilsed. Ebastabiilne tuum muundub osakeste emissiooniga spontaanselt teisteks tuumadeks. Seda tuumade omadust nimetatakse radioaktiivsus. Suurte tuumade puhul tekib ebastabiilsus konkurentsi tõttu tuumajõudude poolt nukleonite külgetõmbe ja prootonite Coulombi tõrjumise vahel. Stabiilseid tuumasid laenguarvuga Z > 83 ja massiarvuga A > 209 pole olemas. Kuid radioaktiivseks võivad osutuda ka oluliselt väiksema Z- ja A-arvuga aatomituumad Kui tuum sisaldab oluliselt rohkem prootoneid kui neutroneid, siis tekib ebastabiilsus. Coulombi interaktsioonienergia ülejäägiga . Tuumad, mis sisaldaksid prootonite arvust suurel hulgal neutroneid, on ebastabiilsed, kuna neutroni mass ületab prootoni massi. Tuuma massi suurenemine toob kaasa selle energia suurenemise.

Radioaktiivsuse fenomeni avastas 1896. aastal prantsuse füüsik A. Becquerel, kes avastas, et uraanisoolad eraldavad tundmatut kiirgust, mis võib tungida läbi valguse suhtes läbipaistmatute barjääride ja põhjustada fotograafilise emulsiooni mustaks muutumist. Kaks aastat hiljem avastasid prantsuse füüsikud M. ja P. Curie tooriumi radioaktiivsuse ja avastasid kaks uut radioaktiivset elementi – polooniumi ja raadiumi

Järgnevatel aastatel tegelesid radioaktiivse kiirguse olemuse uurimisega paljud füüsikud, sealhulgas E. Rutherford ja tema õpilased. Leiti, et radioaktiivsed tuumad võivad eraldada kolme tüüpi osakesi: positiivselt ja negatiivselt laetud ning neutraalsed. Neid kolme tüüpi kiirgust nimetati α-, β- ja γ-kiirguseks. Joonisel fig. 9.7.1 on näidatud katse skeem, mis võimaldab tuvastada radioaktiivse kiirguse keerulist koostist. Magnetväljas kalduvad α- ja β-kiired vastassuundadesse ning β-kiired palju rohkem kõrvale. γ-kiired magnetväljas ei kaldu üldse kõrvale.

Need kolm radioaktiivse kiirguse tüüpi erinevad üksteisest suuresti aineaatomeid ioniseeriva võime poolest ja sellest tulenevalt ka läbitungimisvõime poolest. α-kiirgusel on kõige väiksem läbitungimisvõime. Õhus läbivad α-kiired tavatingimustes mitme sentimeetri kaugusele. Aine neeldub β-kiiri palju vähem. Need on võimelised läbima mitme millimeetri paksust alumiiniumikihti. Suurima läbitungimisvõimega on γ-kiired, mis suudavad läbida 5–10 cm paksust pliikihti.

20. sajandi teisel kümnendil, pärast seda, kui E. Rutherford avastas aatomite tuumastruktuuri, tehti kindlaks, et radioaktiivsus on aatomituumade omadus. Uuringud on näidanud, et α-kiired kujutavad endast α-osakeste voogu – heeliumi tuumad, β-kiired on elektronide voog, γ-kiired on lühilaineline elektromagnetkiirgus ülilühikese lainepikkusega λ.< 10 –10 м и вследствие этого – ярко выраженными корпускулярными свойствами, то есть является потоком частиц – γ-квантов.

Alfa lagunemine. Alfalagunemine on prootonite Z ja neutronite N arvuga aatomituuma spontaanne muundumine teiseks (tütar)tuumaks, mis sisaldab prootonite arvu Z - 2 ja neutroneid N - 2. Sel juhul eraldub α-osake - heeliumi aatomi tuum. Sellise protsessi näide on raadiumi α-lagunemine:

Raadiumi aatomite tuumadest kiirgavaid alfaosakesi kasutas Rutherford raskete elementide tuumade poolt hajumise katsetes. Raadiumituumade α-lagunemisel eralduvate α-osakeste kiirus, mõõdetuna piki trajektoori kõverust magnetväljas, on ligikaudu võrdne 1,5 10 7 m/s ja vastav kineetiline energia on ligikaudu 7,5 10 -13 J (ligikaudu 4,8 MeV). Seda väärtust saab kergesti määrata vanem- ja tütartuumade ning heeliumi tuuma masside teadaolevate väärtuste põhjal. Kuigi väljutatava α-osakese kiirus on tohutu, moodustab see siiski vaid 5% valguse kiirusest, seega saab arvutuses kasutada kineetilise energia mitterelativistlikku avaldist.

Uuringud on näidanud, et radioaktiivne aine võib eraldada mitme diskreetse energiaväärtusega α-osakesi. Seda seletatakse asjaoluga, et tuumad võivad sarnaselt aatomitega olla erinevates ergastatud olekutes. Tütartuum võib α-lagunemise ajal olla ühes neist ergastatud olekutest. Selle tuuma järgneval üleminekul põhiolekusse eraldub γ-kvant. Raadiumi α-lagunemise skeem kahe kineetilise energia väärtusega α-osakeste emissiooniga on näidatud joonisel fig. 9.7.2.

Seega kaasneb tuumade α-lagunemisega paljudel juhtudel γ-kiirgus.

α-lagunemise teoorias eeldatakse, et tuumade sees võivad tekkida rühmad, mis koosnevad kahest prootonist ja kahest neutronist ehk α-osakest. Algtuum on α-osakeste jaoks potentsiaalne auk, mis on piiratud potentsiaalne barjäär. Tuumas oleva α-osakese energiast ei piisa selle barjääri ületamiseks (joonis 9.7.3). α-osakese väljutamine tuumast on võimalik ainult tänu kvantmehaanilisele nähtusele nn. tunneli efekt. Kvantmehaanika järgi on nullist erinev tõenäosus, et osake läbib potentsiaalse barjääri. Tunnelistumise nähtusel on tõenäosuslik iseloom.

Beeta lagunemine. Beeta-lagunemise korral eraldub tuumast elektron. Tuumade sees ei saa elektrone eksisteerida (vt § 9.5), need tekivad β-lagunemise käigus neutroni prootoniks muutumise tulemusena. See protsess võib toimuda mitte ainult tuuma sees, vaid ka vabade neutronitega. Vaba neutroni keskmine eluiga on umbes 15 minutit. Kui neutron laguneb prootoniks ja elektroniks

Mõõtmised näitasid, et selles protsessis on ilmne energia jäävuse seaduse rikkumine, kuna neutroni lagunemisel tekkiv prootoni ja elektroni koguenergia on väiksem kui neutroni energia. W. Pauli pakkus 1931. aastal välja, et neutroni lagunemisel eraldub nullmassi ja laenguga teine osake, mis võtab osa energiast ära. Uus osake kannab nime neutriino(väike neutron). Kuna neutriinos ei ole laengut ja massi, interakteerub see osake aine aatomitega väga nõrgalt, mistõttu on seda katses äärmiselt raske tuvastada. Neutriinode ioniseerimisvõime on nii väike, et üks ionisatsiooniakt õhus langeb ligikaudu 500 km kaugusele. See osake avastati alles aastal 1953. Praegu on teada, et neutriinosid on mitut sorti. Neutronite lagunemise protsessis tekib osake, mida nimetatakse elektrooniline antineutriino. Seda tähistatakse sümboliga Seetõttu on neutronite lagunemisreaktsioon kirjutatud kujul

Sarnane protsess toimub ka tuumades β-lagunemise ajal. Ühe tuumaneutroni lagunemise tulemusena tekkinud elektron väljub kohe “emamajast” (tuumast) tohutu kiirusega, mis võib valguse kiirusest erineda vaid protsendi murdosa võrra. Kuna β-lagunemisel vabaneva energia jaotus elektroni, neutriino ja tütartuuma vahel on juhuslik, võivad β-elektronid olla erineva kiirusega laias vahemikus.

β-lagunemise ajal suureneb laengu arv Z ühe võrra, samas kui massiarv A jääb muutumatuks. Tütartuum osutub elemendi ühe isotoobi tuumaks, mille järjekorranumber perioodilisuse tabelis on ühe võrra suurem algtuuma järjekorranumbrist. Tüüpiline β-lagunemise näide on uraani α-lagunemisel tekkiva tooriumi isotooni muundumine pallaadiumiks

Gamma lagunemine. Erinevalt α- ja β-radioaktiivsusest ei ole tuumade γ-radioaktiivsus seotud muutusega tuuma sisestruktuuris ning sellega ei kaasne laengu või massiarvu muutust. Nii α- kui β-lagunemise korral võib tütartuum olla mingis ergastatud olekus ja omada üleliigset energiat. Tuuma üleminekuga ergastatud olekust põhiolekusse kaasneb ühe või mitme γ-kvanti emissioon, mille energia võib ulatuda mitme MeV-ni.

Radioaktiivse lagunemise seadus. Iga radioaktiivse materjali proov sisaldab tohutul hulgal radioaktiivseid aatomeid. Kuna radioaktiivne lagunemine on juhuslik ja ei sõltu välistingimustest, võib etteantud ajaks t lagunemata tuumade arvu N(t) vähenemise seadus olla radioaktiivse lagunemisprotsessi oluliseks statistiliseks tunnuseks.

Laske lagunemata tuumade arv N(t) muutuda ΔN võrra lühikese aja jooksul Δt< 0. Так как вероятность распада каждого ядра неизменна во времени, что число распадов будет пропорционально количеству ядер N(t) и промежутку времени Δt:

Proportsionaalsustegur λ on tuuma lagunemise tõenäosus aja jooksul Δt = 1 s. See valem tähendab, et funktsiooni N(t) muutumise kiirus on otseselt võrdeline funktsiooni endaga.

kus N 0 on radioaktiivsete tuumade esialgne arv, kui t = 0. Aja jooksul τ = 1 / λ väheneb lagunemata tuumade arv e ≈ 2,7 korda. Väärtust τ nimetatakse keskmine eluiga radioaktiivne tuum.

Praktiliseks kasutamiseks on mugav kirjutada radioaktiivse lagunemise seadus erineval kujul, kasutades alusena numbrit 2, mitte e:

T väärtust nimetatakse pool elu. Aja jooksul T laguneb pool radioaktiivsete tuumade esialgsest arvust. T ja τ väärtused on seotud seosega

Poolväärtusaeg on peamine suurus, mis iseloomustab radioaktiivse lagunemise kiirust. Mida lühem on poolestusaeg, seda intensiivsem on lagunemine. Seega uraani T ≈ 4,5 miljardit aastat ja raadiumi T ≈ 1600 aastat. Seetõttu on raadiumi aktiivsus palju suurem kui uraanil. On radioaktiivseid elemente, mille poolestusaeg on sekundi murdosa.

Looduslikes tingimustes ei leidu ja see lõpeb vismutiga. See radioaktiivsete lagunemiste seeria toimub aastal tuumareaktorid.

Huvitav radioaktiivsuse rakendus on arheoloogiliste ja geoloogiliste leidude dateerimise meetod radioaktiivsete isotoopide kontsentratsiooni järgi. Kõige sagedamini kasutatav meetod on radiosüsiniku dateerimine. Ebastabiilne süsiniku isotoop tekib atmosfääris kosmiliste kiirte põhjustatud tuumareaktsioonide tõttu. Väike osa sellest isotoobist leidub õhus koos tavalise stabiilse isotoobiga.Taimed ja muud organismid tarbivad õhust süsinikku ja akumuleerivad mõlemat isotoopi samas proportsioonis kui õhus. Pärast taimede hukkumist lõpetavad nad süsiniku tarbimise ning β-lagunemise tulemusena muutub ebastabiilne isotoop järk-järgult lämmastikuks, mille poolestusaeg on 5730 aastat. Mõõtes täpselt radioaktiivse süsiniku suhtelist kontsentratsiooni iidsete organismide jäänustes, on võimalik määrata nende hukkumise aeg.

Igat tüüpi radioaktiivsel kiirgusel (alfa, beeta, gamma, neutronid), aga ka elektromagnetkiirgusel (röntgenkiirgus) on elusorganismidele väga tugev bioloogiline mõju, mis seisneb aatomite ja molekulide ergastamise ja ionisatsiooni protsessides, mis moodustavad elusrakud. Ioniseeriva kiirguse toimel hävivad keerulised molekulid ja rakustruktuurid, mis põhjustab kehale kiirguskahjustusi. Seetõttu tuleb mis tahes kiirgusallikaga töötamisel võtta kõik meetmed nende inimeste kiirguskaitseks, kes võivad sattuda kiirgustsooni.

Küll aga võib inimene kodustes tingimustes kokku puutuda ioniseeriva kiirgusega. Radoon, inertne värvitu radioaktiivne gaas, võib kujutada tõsist ohtu inimeste tervisele. Nagu on näha joonisel fig. 9.7.5, radoon on raadiumi α-lagunemise korrutis ja selle poolestusaeg T = 3,82 päeva. Raadiumi leidub väikestes kogustes pinnases, kivides ja erinevates ehituskonstruktsioonides. Vaatamata suhteliselt lühikesele elueale täieneb radooni kontsentratsioon raadiumituumade uute lagunemiste tõttu pidevalt, mistõttu võib radoon koguneda suletud ruumidesse. Kopsu sattudes eraldab radoon α-osakesi ja muutub polooniumiks, mis ei ole keemiliselt inertne aine. Sellele järgneb uraani seeria radioaktiivsete transformatsioonide ahel (joonis 9.7.5). Ameerika kiirgusohutuse ja -kontrolli komisjoni andmetel saab keskmine inimene 55% ioniseerivast kiirgusest radoonist ja ainult 11% arstiabist. Kosmiliste kiirte osakaal on umbes 8%. Kogu kiirgusdoos, mida inimene elu jooksul saab, on kordades väiksem maksimaalne lubatud annus(SDA), mis on kehtestatud teatud elukutsete inimestele, kes puutuvad kokku täiendava ioniseeriva kiirgusega.

Lõhustumisahelreaktsiooni tulemusena tekib uraan. Tuuma lõhustumise reaktsioonid ja lõhustumise ahelreaktsioonid

Tunni edenemine

I. Organisatsioonimoment (2 ').

II. Varem õpitud materjali kordamine (8’).

III. Uue materjali õppimine (25’). Märkmete tegemine tunni ajal(rakendus 2 ).