В результаті ланцюгової реакції поділу урану утворюється. Реакції поділу ядра та ланцюгові реакції поділу

Урок з фізики у 9 класі

«Поділ ядер урану. Ланцюжкова реакція"

Мета уроку:ознайомити учнів із процесом розподілу атомних ядер урану, механізмом протікання ланцюгової реакції.

Завдання:

освітні:

вивчити механізм розподілу ядер урану-235; запровадити поняття критичної маси; визначити фактори, що визначають перебіг ланцюгової реакції.

виховні:

підвести учнів до розуміння значимості наукових відкриттів небезпеки, яка може виходити від наукових досягнень при бездумному, безграмотному чи аморальному відношенні з ними.

розвиваючі:

розвиток логічного мислення; розвиток монологічного та діалогічного мовлення; розвиток у учнів розумових операцій: аналізу, порівняння, навчання. Формування уявлення про цілісність картини світу

Тип уроку:урок засвоєння нових знань.

Компетенції, формування яких спрямований урок:

ціннісно-смислові - здатність бачити і розуміти навколишній світ,

загальнокультурні - освоєння учнем наукової картини світу,

навчально-пізнавальні - вміння відрізняти факти від домислів,

Комунікативні - навички роботи у групі, володіння різними соціальними ролями у колективі,

компетенції особистісного самовдосконалення-культури мислення та поведінки

Хід уроку: 1. Організаційний момент.

Настав новий урок. Я посміхнуся вам, а ви посміхнетесь один до одного. І подумаєте: як добре, що ми сьогодні тут усі разом. Ми скромні та добрі, привітні та ласкаві. Ми всі здорові. - Глибоко вдихніть та видихніть. Видихніть вчорашню образу, злість і занепокоєння. Я бажаю всім нам гарного уроку .

2. Перевірка домашнього завдання.

Тест.

1. Який заряд має ядро?

1) позитивний 2) негативний 3) ядро заряду немає

2. Що таке альфа – частка?

1) електрон 2) ядро атом гелію

3) електромагнітне випромінювання

3. Скільки протонів і нейтронів містить ядро атома бериліюBe

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

4. Ядро якого хімічного елемента утворюється за α – розпаду радію?

Ra →? + He.

1) радону 2) урану 3) фермій

5. Маса ядра завжди … суми мас нуклонів, з яких воно складається.

1) більше 2) дорівнює 3) менше

6. Нейтрон – це частка,

1) має заряд +1, атомну масу 1;

2) має заряд - 1, атомну масу 0;

3) має заряд 0, атомну масу 1.

7.Вкажіть другий продукт ядерної реакції

Відповіді: Варіант 1. 1) 1; 2) 2; 3)3; 4) 1; 5) 3; 6) 3; 7)3.

8. Як електрично взаємодіють один з одним протони в ядрі?

9. Що таке дефект мас? Записати формулу.

10. Що таке енергія зв'язку? Записати формулу.

Вивчення нового матеріалу.

Ми з вами нещодавно дізналися, що деякі хімічні елементи при радіоактивному розпаді перетворюються на інші хімічні елементи. А як ви вважаєте, що буде, якщо в ядро атома деякого хімічного елемента направити якусь частинку, ну, наприклад, нейтрон в ядро урану?

У 1939 році німецькими вченими Отто Ганом і Фріцем Штрассманом було відкрито поділ ядер урану. Вони встановили, що з бомбардуванні урану нейтронами виникають елементи середньої частини періодичної системи – радіоактивні ізотопи барію (Z = 56), криптону (Z = 36) та інших.

Розглянемо докладніше процес поділу ядра урану під час бомбардування нейтроном на малюнку. Нейтрон, потрапляючи у ядро урану, поглинається ним. Ядро збуджується і починає деформуватися подібно до рідкої краплі.

Ядро входить у стан збудження і починає деформуватися. Чому ядро розривається на дві частини? Під дією яких сил відбувається розрив?

Які сили діють усередині ядра?

- Електростатичні та ядерні.

Добре, а як виявляються електростатичні сили?

– Електростатичні сили діють між зарядженими частинками. У ядрі зарядженої часткою є протон. Оскільки протон заряджений позитивно, отже, з-поміж них діють сили відштовхування.

Правильно, а як проявляються ядерні сили?

– Ядерні сили – сили тяжіння між усіма нуклонами.

Так, під впливом яких сил відбувається розрив ядра?

– (Якщо виникнуть труднощі, ставлю питання і підводжу учнів до правильного висновку)Під дією електростатичних сил відштовхування ядро розривається на дві частини, які розлітаються в різні боки та випромінюють при цьому 2-3 нейтрони.

Воно розтягується доти, доки електричні сили відштовхування не почнуть переважати над ядерними. Ядро розривається на два уламки, викидаючи при цьому два або три нейтрони. Такою є технологія поділу ядра урану.

Уламки розлітаються з дуже великою швидкістю. Виходить, що частина внутрішньої енергії ядра переходить в кінетичну енергію осколків і частинок, що розлітаються. Осколки потрапляють у довкілля. Як ви вважаєте, що відбувається з ними?

– Осколки гальмуються у навколишньому середовищі.

Щоб не порушувати закон збереження енергії, ми маємо сказати, що станеться із кінетичною енергією?

– Кінетична енергія осколків перетворюється на внутрішню енергію середовища.

Чи можна побачити, що внутрішня енергія середовища змінилася?

- Так, середовище нагрівається.

А чи впливатиме на зміну внутрішньої енергії той фактор, що в розподілі братиме участь різна кількість ядер урану?

– Звичайно, при одночасному розподілі великої кількості ядер урану внутрішня енергія навколишнього уран середовища зростає.

З курсу хімії ви знаєте, що реакції можуть відбуватися як з поглинанням енергії, так і виділенням. Що ми скажемо про перебіг реакції розподілу ядер урану?

– Реакція поділу ядер урану йде з виділенням енергії у навколишнє середовище.

(Слайд 13)

Уран зустрічається у природі як двох ізотопів: U (99,3 %) і U (0,7 %). При цьому реакція розподілу U найбільш інтенсивно йде на повільних нейтронах, тоді як ядра U просто поглинають нейтрон, і розподіл не відбувається. Тому основний інтерес реакція поділу ядра U. В даний час відомі близько 100 різних ізотопів з масовими числами приблизно від 90 до 145, що виникають при розподілі цього ядра. Дві типові реакції поділу цього ядра мають вигляд:

Зазначимо, що енергія, що виділяється при розподілі ядер урану величезна. Наприклад, при повному поділі всіх ядер, що містяться в 1 кг урану, виділяється така ж енергія, як і при згорянні 3000 т вугілля. При цьому ця енергія може виділитись миттєво.

(Слайд 14)

З'ясували, що станеться з уламками, а як поведуться нейтрони?

При розподілі ядра урану-235, яке викликане зіткненням з нейтроном, звільняється 2 або 3 нейтрони. За сприятливих умов ці нейтрони можуть потрапити до інших ядрів урану і викликати їх поділ. На цьому етапі з'являться вже від 4 до 9 нейтронів, здатних викликати нові розпади ядер урану тощо. Такий лавиноподібний процес називається ланцюговою реакцією. (Запис у зошит: Ланцюгова ядерна реакція- послідовність ядерних реакцій, кожна з яких викликається часткою, що виникла як продукт реакції на попередньому етапі послідовності). Схема розвитку ланцюгової реакції поділу ядер урану розглянемо докладніше по відеофрагменті в уповільненому темпі для детальнішого розгляду

Ми бачимо, що загальна кількість вільних нейтронів у шматку урану лавиноподібно збільшується з часом. До чого це може спричинити?

– До вибуху.

Чому?

- Зростає кількість поділів ядер і, відповідно, енергія, що виділяється в одиницю часу.

Але можливий і інший варіант, при якому кількість вільних нейтронів зменшується з часом, не зустрів нейтрон на своєму шляху ядро. В цьому випадку що станеться із ланцюговою реакцією?

- Припиниться.

Чи можна використовувати з мирною метою енергію подібних реакцій?

А як має протікати реакція?

– Реакція має протікати так, щоб кількість нейтронів з часом залишалася постійною.

Як же досягти того, щоб число нейтронів постійно залишалося постійним?

– (Пропозиції хлопців)

Для вирішення цієї проблеми потрібно знати, які фактори впливають на збільшення та зменшення загальної кількості вільні нейтронів у шматку урану, в якому протікає ланцюгова реакція.

(Слайд 15)

Одним з таких факторів є маса урану . Справа в тому, що не кожен нейтрон, випромінюваний при розподілі ядра, викликає розподіл інших ядер. Якщо маса (і відповідно розміри) шматка урану занадто мала, багато нейтрони вилетять його межі, не встигнувши зустріти своєму шляху ядро, викликати його розподіл і породити, в такий спосіб, нове покоління нейтронів, необхідні продовження реакції. У цьому випадку ланцюгова реакція припиниться. Щоб реакція не припинялася, потрібно збільшити масу урану до певного значення, що називається критичним.

Чому при збільшенні маси ланцюгова реакція стає можливою?

Для здійснення ланцюгової реакції необхідно, щоб так званий коефіцієнт розмноженнянейтронів був більше одиниці. Інакше кажучи, у кожному наступному поколінні нейтронів має бути більше, ніж у попередньому. Коефіцієнт розмноження визначається як числом нейтронів, які утворюються у кожному елементарному акті, а й умовами, у яких протікає реакція – частина нейтронів може поглинатися іншими ядрами чи виходити із зони реакції. Нейтрони, що звільнилися при розподілі ядер урану-235, здатні викликати розподіл лише ядер цього ж урану, частку якого у природному урані припадає лише 0,7 %. Така концентрація виявляється недостатньою для початку ланцюгової реакції. Ізотоп також може поглинати нейтрони, але при цьому не виникає ланцюгової реакції.

(Запис у зошит: Коефіцієнт розмноження нейтронівk - відношення числа нейтронів наступного покоління до попереднього покоління у всьому обсязі розмножуючої нейтрони середовища)

Ланцюгова реакція в урані з підвищеним вмістом урану-235 може розвиватися тільки тоді, коли маса урану перевершує так звану критичну масу. У невеликих шматках урану більшість нейтронів, не потрапивши в жодне ядро, вилітають назовні. Для чистого урану-235 критична маса становить близько 50 кг.

(Запис у зошит: Критична маса- мінімальна кількість речовини, що ділиться, необхідна для початку самопідтримується ланцюгової реакції поділу).

(Слайд 16)

Критичну масу урану можна в багато разів зменшити, якщо використовувати так звані уповільнювачі нейтронів. Справа в тому, що нейтрони, що народжуються при розпаді ядер урану, мають занадто великі швидкості, а ймовірність захоплення повільних нейтронів ядрами урану-235 у сотні разів більша, ніж швидких. Найкращим сповільнювачем нейтронів є важка вода H 2 O. Звичайна вода при взаємодії з нейтронами сама перетворюється на важку воду.

Хорошим сповільнювачем є графіт, ядра якого не поглинають нейтронів. При пружній взаємодії з ядрами дейтерію або вуглецю нейтрони сповільнюються.

Застосування уповільнювачів нейтронів та спеціальної оболонки з берилію, що відбиває нейтрони, дозволяє знизити критичну масу до 250 г (0,25 кг).

Запис у зошит:

Критичну масу можна зменшити, якщо:

Використовувати сповільнювачі (графіт, звичайна та важка вода)

Відбиває оболонка (берилій).

А в атомних бомбах якраз ланцюгова некерована ядерна реакція виникає при швидкому з'єднанні двох шматків урану-235, кожен з яких має масу дещо нижчу за критичну.

Атомна бомба – це страшна зброя. Вражаючими факторами якої є: 1) Світлове випромінювання (включаючи сюди ренгенівське та теплове випромінювання); 2) ударна хвиля; 3) радіаційне зараження місцевості. Але розподіл ядер урану використовують і в мирних цілях – це атомні реактори на АЕС. Процеси, які у цих випадках ми розглянемо наступного уроці.

Середина 20 століття визначається акселерацією науки: фантастичним прискоренням, впровадженням наукових досягнень у виробництво та наше життя. Все це змушує нас задуматися – що дасть нам наука завтра?
Полегшити всі тяготи існування людини – ось основна мета справді прогресивної науки. Зробити людство щасливішим – жодного, не двох, а саме людства. І це дуже важливо, тому що, як відомо, наука може виступити і проти людини. Атомний вибух у японських містах – Хіросіма та Нагасакі – трагічний тому приклад.

Отже, 1945, серпень. Друга світова війна йде до завершення.

(Слайд 2)

6 серпня о 1:45 американський бомбардувальник B-29 під командуванням полковника Пола Тіббетса, злетів з острова, що знаходився приблизно за 6 годин літа від Хіросіми.

(Слайд 3)

Хіросіма після атомного вибуху.

Чия там бродить тінь незримо,
Від біди засліпила?
Це плаче Хіросіма
У хмарах із попелу.
Чий там голос у жаркій темряві
Чути несамовитий?
Це плаче Нагасакі
На землі спаленою
У цьому плачі та риданні
Жодної немає фальші,
Світ весь завмер в очікуванні -
Хто заплаче далі?

(Слайд 4)

Кількість загиблих від безпосереднього впливу вибуху становила від 70 до 80 тисяч людей. До кінця 1945 року, у зв'язку з дією радіоактивного зараження та інших постефектів вибуху, загальна кількість загиблих становила від 90 до 166 тисяч осіб. Через 5 років загальна кількість загиблих досягла 200 000 осіб.

(Слайд 5)

6 серпня, після отримання звістки про успішне проведення атомного бомбардування Хіросіми, Президент США Трумен заявив, що

«Ми зараз готові знищити, ще швидше і повніше, ніж раніше, всі наземні виробничі потужності японців у будь-якому місті. Ми знищимо їхні доки, їхні фабрики та їхні комунікації. Нехай не буде ніякого непорозуміння – ми повністю знищимо здатність Японії вести війну»

(Слайд 6)

О 2:47 9 серпня американський бомбардувальник B-29 під командуванням майора, який ніс на борту атомну бомбу, злетів із острова. О 10:56 В-29 прибув до Нагасакі. Вибух стався об 11:02 за місцевим часом.

(Слайд 7)

Кількість загиблих до кінця 1945 року становила від 60 до 80 тисяч жителів. Через 5 років загальна кількість загиблих, з урахуванням померлих від раку та інших довгострокових впливів вибуху, могла досягти або навіть перевищити 140 000 осіб.

Така історія, сумна та застерігаюча

Кожна людина – не є острів,

кожна людина – частина великого континенту.
І ніколи не питай, по кому дзвонить дзвін.
Він дзвонить по тобі...

Закріплення.

Із чим ми познайомилися сьогодні на уроці? (З механізмом поділу ядер урану, з ланцюговою реакцією)

Які умови протікання ланцюгової реакції?

Що таке критична маса?

Що таке коефіцієнт розмноження?

Що є сповільнювачем нейтронів?

Рефлексія.

З яким настроєм ви йдете з уроку?

Оцінювання.

Домашнє завдання: п. 74,75, питання стор.252-253

Ланцюгова ядерна реакція. В результаті дослідів з опромінення нейтронами урану було знайдено, що під дією нейтронів ядра урану поділяються на два ядра (уламки) приблизно половинної маси та заряду; цей процес супроводжується випромінюванням декількох (двох-трьох) нейтронів (рис. 402). Крім урану, здатні ділитися ще деякі елементи серед останніх елементів періодичної системи Менделєєва. Ці елементи, як і і уран, діляться як під впливом нейтронів, але й без зовнішніх впливів (спонтанно). Спонтанний поділ було встановлено на досвіді радянськими фізиками К. А. Петржаком та Георгієм Миколайовичем Флеровим (нар. 1913) у 1940р. Воно є дуже рідкісним процесом. Так, в 1г урану відбувається лише близько 20 спонтанних поділів на годину.

Рис. 402. Розподіл ядра урану під впливом нейтронів: а) ядро захоплює нейтрон; б) удар нейтрона об ядро наводить останнє коливання; в) ядро ділиться на два уламки; при цьому випускається ще кілька нейтронів

Завдяки взаємному електростатичному відштовхуванню уламки розподілу розлітаються в протилежні сторони, набуваючи великої кінетичної енергії (близько ). Реакція поділу відбувається, таким чином, із значним виділенням енергії. Осколки, що швидко рухаються, інтенсивно іонізують атоми середовища. Цю властивість уламків використовують для виявлення процесів поділу за допомогою іонізаційної камери або камери Вільсона. Фотографію слідів уламків поділу в камері Вільсона наведено на рис. 403. Вкрай суттєвою є та обставина, що нейтрони, випущені при розподілі уранового ядра (так звані вторинні нейтрони розподілу), здатні викликати розподіл нових ядер урану. Завдяки цьому можна здійснити ланцюгову реакцію поділу: одного разу виникнувши, реакція в принципі може тривати сама собою, охоплюючи дедалі більше ядер. Схема розвитку такої наростаючої целлон реакції зображена на рис. 404.

Рис. 403. Фотографія слідів уламків поділу урану в камері Вільсона: уламки () розлітаються в протилежні сторони з тонкого шару урану, нанесеного на платівці, що перегороджує камеру. На знімку видно також безліч тонших слідів, що належать протонам, вибитим нейтронами з молекул водяного автомобіля, що міститься в камері

Здійснення ланцюгової реакції поділу практично непросто; досвід показує, що у масі природного урану ланцюгова реакція немає. Причина цього у втрати вторинних нейтронів; у природному урані більшість нейтронів виходить із гри, не викликаючи поділів. Як виявили дослідження, втрата нейтронів відбувається у найбільш поширеному ізотопі урану – урані – 238(). Цей ізотоп легко поглинає нейтрони по реакції, подібно до реакції срібла з нейтронами (див. § 222); при цьому утворюється штучно-радіоактивний ізотоп. Діляється ж важко і лише під дією швидких нейтронів.

Більш вдалими для ланцюгової реакції властивостями має ізотоп, який міститься в природному урані в кількості. Він ділиться під дією нейтронів будь-якої енергії - швидких і повільних і краще, ніж менше енергія нейтронів. Конкуруючий з розподілом процес - просте поглинання нейтронів - мало ймовірний на відміну від. Тому в чистому урані - 235 можлива ланцюгова реакція поділу за умови, однак, що маса урану-235 досить велика. В урані малої маси реакція поділу обривається через виліт вторинних нейтронів за межі його речовини.

Рис. 404. Розвиток цінної реакції розподілу: умовно прийнято, що з розподілі ядра випускається два нейтрони і втрат нейтронів немає, тобто. кожен нейтрон викликає новий поділ; кружечки - уламки поділу, стрілки - нейтрони поділу

Справді, через крихітні розміри атомних ядер нейтрон проходить у речовині значний шлях (вимірюваний сантиметрами), перш ніж випадково натрапить на ядро. Якщо розміри тіла малі, то ймовірність зіткнення по дорозі до виходу назовні мала. Майже всі вторинні нейтрони розподілу вилітають через поверхню тіла, не викликаючи нових поділів, тобто не продовжуючи реакції.

З тіла великих розмірів вилітають назовні головним чином нейтрони, що утворилися поверхневому шарі. Нейтрони, що утворилися всередині тіла, мають перед собою достатню товщу урану і здебільшого викликають нові поділки, продовжуючи реакцію (рис. 405). Чим більша маса урану, тим меншу частку обсягу становить поверхневий шар, з якого втрачається багато нейтронів, і тим сприятливіші умови для розвитку ланцюгової реакції.

Рис. 405. Розвиток ланцюгової реакції поділу в . а) У малій масі більшість нейтронів розподілу вилітає назовні. б) У великій масі урану багато нейтронів поділу викликають поділ нових ядер; Число поділів зростає від покоління до покоління. Кружочки - уламки поділу, стрілки - нейтрони поділу

Збільшуючи поступово кількість , ми досягнемо критичної маси, тобто найменшої маси, починаючи з якої можлива ланцюгова реакція поділу в . За подальшого збільшення маси реакція почне бурхливо розвиватися (початок їй покладуть спонтанні поділки). При зменшенні маси нижче критичної реакція згасає.

Отже, можна здійснити ланцюгову реакцію поділу. Якщо мати в своєму розпорядженні достатню кількість чистого, відокремленого від.

Як ми бачили в §202, поділ ізотопів являє собою хоча складну і дорогу, але все ж таки здійсненну операцію. Витяг з природного урану стало одним з тих методів, за допомогою яких ланцюгова реакція поділу була здійснена на практиці.

Поряд з цим ланцюгова реакція була досягнута й іншим способом, що не потребує поділу ізотопів урану. Цей спосіб дещо складніший у принципі, зате простіший у здійсненні. Він використовує уповільнення швидких вторинних нейтронів поділу до швидкостей теплового руху. Ми бачили, що у природному урані негайні вторинні нейтрони поглинаються головним чином ізотопом. Так як поглинання не призводить до поділу, то реакція обривається. Як показують вимірювання, при уповільненні нейтронів до теплових швидкостей поглинаюча здатність зростає сильніше поглинаючої здатності. Поглинання нейтронів ізотопом, що веде до поділу, отримує перевагу. Тому, якщо сповільнити нейтрони поділу, не давши їм поглинеться в , ланцюгова реакція стане можливим і з природним ураном.

Рис. 406. Система з природного урану та сповільнювача, в якій може розвиватися ланцюгова реакція поділу

На практиці такого результату домагаються, поміщаючи топкі стрижні з природного урану у вигляді рідкісних ґрат у сповільнювач (рис. 406). Як сповільнювачі використовують речовини, що володіють малою атомною масою і слабо поглинають нейтрони. Хорошими уповільнювачами є графіт, важка вода, берилій.

Нехай в одному зі стрижнів стався поділ ядра урану. Так як стрижень порівняно тонкий, то швидкі вторинні нейтрони вилетять багато в сповільнювач. Стрижні розташовані у ґратах досить рідко. Нейтрон, що вилетів, до попадання в новий стрижень зазнає багато зіткнень з ядрами сповільнювача і сповільнюється до швидкості теплового руху (рис. 407). Потрапивши потім в урановий стрижень, нейтрон поглинеться швидше за все і викличе новий поділ, продовжуючи тим самим реакцію. Ланцюгова реакція поділу було вперше здійснено США 1942г. групою вчених під керівництвом італійського фізика Енріко Фермі (1901-1954) у системі з природним ураном. Незалежно цей процес було реалізовано у СРСР 1946г. академіком Ігорем Васильовичем Курчатовим (1903-1960) із співробітниками.

Рис. 407. Розвиток цінної реакції поділу у системі з природного урану та сповільнювача. Швидкий нейтрон, вилетівши з тонкого стрижня, потрапить у сповільнювач і сповільнюється. Потрапивши знову в уран, уповільнений нейтрон швидше за все поглинається в , викликаючи поділ (позначення: два білих кружки). Деякі нейтрони поглинаються в , не викликаючи поділу (позначення: чорний кружок)

Мета: сформувати в учнів уявлення про поділ ядер урану.

перевірити раніше вивчений матеріал;
розглянути механізм розподілу ядра урану;
розглянути умову виникнення ланцюгової реакції;
з'ясувати чинники, що впливають перебіг ланцюгової реакції;
розвивати мовлення та мислення учнів;
розвивати вміння аналізувати, контролювати та коригувати власну діяльність у рамках заданого часу.

Обладнання: комп'ютер, проекційна система, дидактичний матеріал (тест “Склад ядра”), диски “Інтерактивний курс. Фізика 7-11кл” (Фізикон) та “1С-репітитор. Фізика”(1С).

Хід заняття

I. Організаційний момент (2').

Привітання, оголошення плану заняття.

ІІ. Повторення раніше вивченого матеріалу (8').

Самостійна робота учнів – виконання тесту ( Додаток 1 ). У тесті необхідно вказати одну правильну відповідь.

ІІІ. Вивчення нового матеріалу (25'). Під час уроку складаємо конспект(Додаток 2 ).

А давайте перевіримо ваші припущення (Робота з інтерактивною моделлю "Поділ ядра")“Інтерактивний курс. Фізика 7-11кл ).

Що в результаті вийшло?

- При попаданні нейтрону в ядро урану, ми бачимо, що в результаті утворюється 2 осколки і 2-3 нейтрони.

Той самий ефект було отримано 1939 р. німецькими вченими Отто Ганом і Фріцем Штрассманом. Вони виявили, що в результаті взаємодії нейтронів з ядрами урану з'являються радіоактивні ядра-уламки, маси та заряди яких приблизно вдвічі менші за відповідні характеристики ядер урану. Поділ ядер, що подібним чином відбувається, називають вимушеним розподілом, на відміну від спонтанного, яке відбувається при природних радіоактивних перетвореннях.

Які сили діють усередині ядра?

- Електростатичні та ядерні.

Добре, а як виявляються електростатичні сили?

– Електростатичні сили діють між зарядженими частинками. У ядрі зарядженої часткою є протон. Так як протон заряджений позитивно означає, що між ними діють сили відштовхування.

Правильно, а як проявляються ядерні сили?

– Ядерні сили – сили тяжіння між усіма нуклонами.

Так, під впливом яких сил відбувається розрив ядра?

– (Якщо виникнуть труднощі, ставлю питання і підводжу учнів до правильного висновку) Під дією електростатичних сил відштовхування ядро розривається на дві частини, які розлітаються в різні боки і випромінюють при цьому 2-3 нейтрони.

– Осколки гальмуються у навколишньому середовищі.

Щоб не порушувати закон збереження енергії, ми маємо сказати, що станеться із кінетичною енергією?

– Кінетична енергія осколків перетворюється на внутрішню енергію середовища.

Чи можна побачити, що внутрішня енергія середовища змінилася?

- Так, середовище нагрівається.

– Реакція поділу ядер урану йде з виділенням енергії у навколишнє середовище.

Енергія, що міститься в ядрах атомів, колосальна. Наприклад, при повному розподілі всіх ядер, що є в 1г урану, виділилося б стільки ж енергії, скільки виділяється при згорянні 2,5 т нафти. З'ясували, що станеться з уламками, а як поведуться нейтрони?

– (вислуховую припущення учнів, перевіряємо припущення, працюючи з інтерактивною моделлю "Ланцюгова реакція"“1С-репітитор. Фізика” ).

Мабуть, нейтрони своєму шляху можуть зустріти ядра урану і викликати поділ. Така реакція називається ланцюговою.

Отже, якою є умова виникнення ланцюгової реакції?

– Ланцюгова реакція можлива завдяки тому, що при розподілі кожного ядра утворюється 2-3 нейтрони, які можуть взяти участь у розподілі інших ядер.

– До вибуху.

- Зростає кількість поділів ядер і, відповідно, енергія, що виділяється в одиницю часу.

- Припиниться.

Чи можна використовувати з мирною метою енергію подібних реакцій?

А як має протікати реакція?

– Реакція має протікати так, щоб кількість нейтронів з часом залишалася постійною.

Як же досягти того, щоб число нейтронів постійно залишалося постійним?

- (Пропозиції хлопців)

Одним з таких факторів є маса урану . Справа в тому, що не кожен нейтрон, випромінюваний при розподілі ядра, викликає розподіл інших ядер. Якщо маса (і розміри) шматка урану занадто мала, багато нейтрони вилетять його межі, не встигнувши зустріти своєму шляху ядро, викликати його розподіл і породити в такий спосіб нове покоління нейтронів, необхідні продовження реакції. У цьому випадку ланцюгова реакція припиниться. Щоб реакція не припинялася, потрібно збільшити масу урану до певного значення, що називається критичним.

Чому при збільшенні маси ланцюгова реакція стає можливою?

– Чим більша маса шматка, тим більша ймовірність зустрічі нейтронів із ядрами. Відповідно збільшується кількість поділів ядер і кількість нейтронів, що випромінюються.

При деякій так званій критичній масі урану число нейтронів, що з'явилися при розподілі ядер, стає рівним числу втрачених нейтронів (тобто захоплених ядрами без поділу і вилетіли за межі шматка).

Тому їх загальна кількість залишається незмінною. При цьому ланцюгова реакція може йти тривалий час, не припиняючись і не набуваючи вибухового характеру.

Найменша маса урану, при якій можливе протікання ланцюгової реакції, називається критичною масою.

Як протікатиме реакція, якщо маса урану більша критичної?

– Внаслідок різкого збільшення кількості вільних нейтронів ланцюгова реакція призводить до вибуху.

А якщо менше критичної?

– Реакція не протікає через нестачу вільних нейтронів.

Зменшити втрату нейтронів (які вилітають із урану, не прореагувавши з ядрами) можна не тільки за рахунок збільшення маси урану, але й за допомогою спеціальної відбиває оболонки . Для цього шматок урану поміщають в оболонку, зроблену з речовини, що добре відображає нейтрони (наприклад, берилію). Відбиваючись від цієї оболонки, нейтрони повертаються в уран і можуть брати участь у розподілі ядер.

Крім маси та наявності відбиває оболонки існує ще кілька факторів, від яких залежить можливість протікання ланцюгової реакції. Наприклад, якщо шматок урану містить занадто багато домішок інших хімічних елементів, вони поглинають більшу частину нейтронів і реакція припиняється.

Ще одним фактором, що впливає на перебіг реакції, є наявність в урані так званого сповільнювача нейтронів . Справа в тому, що ядра урану-235 з найбільшою ймовірністю діляться під дією повільних нейтронів. А при розподілі ядер утворюються швидкі нейтрони. Якщо швидкі нейтрони уповільнити, то більша їх частина захопиться ядрами урану-235 з подальшим розподілом цих ядер, як сповільнювачі використовуються такі речовини, як графіт, пода, важка вода та деякі інші. Ці речовини лише уповільнюють нейтрони, майже не поглинаючи їх.

Отже, які основні фактори здатні впливати на перебіг ланцюгової реакції?

– Можливість протікання ланцюгової реакції визначається масою урану, кількістю домішок у ньому, наявністю оболонки та сповільнювача.

Критична маса кулястого шматка урану-235 приблизно дорівнює 50кг. При цьому його радіус складає всього 9см, оскільки уран має дуже велику густину.

Застосовуючи сповільнювач і відбивну оболонку, і зменшуючи кількість домішок, вдається знизити критичну масу урану до 0,8 кг.

Поділ ядра - це розщеплення важкого атома на два фрагменти приблизно рівної маси, що супроводжується виділенням великої кількості енергії.

Відкриття ядерного поділу почало нову епоху - «атомне століття». Потенціал можливого його використання та співвідношення ризику до користі від його застосування не тільки породили безліч соціологічних, політичних, економічних та наукових досягнень, а й серйозні проблеми. Навіть із суто наукової точки зору процес ядерного поділу створив велику кількість головоломок та ускладнень, і повне теоретичне його пояснення є справою майбутнього.

Ділитись – вигідно

Енергії зв'язку (на нуклон) у різних ядер різняться. Більш важкі мають меншу енергію зв'язку, ніж розташовані в середині періодичної таблиці.

Це означає, що важким ядрам, у яких атомне число більше 100, вигідно ділитися на два менші фрагменти, тим самим вивільняючи енергію, яка перетворюється на кінетичну енергію осколків. Цей процес називається розщепленням

Відповідно до кривої стабільності, яка показує залежність числа протонів від числа нейтронів для стабільних нуклідів, більш важкі ядра віддають перевагу більшій кількості нейтронів (у порівнянні з кількістю протонів), ніж легші. Це говорить про те, що поряд із процесом розщеплення будуть випускатися деякі «запасні» нейтрони. Крім того, вони також прийматимуть на себе частину енергії, що виділяється. Вивчення розподілу ядра атома урану показало, що при цьому виділяється 3-4 нейтрони: 238 U → 145 La + 90 Br + 3n.

Атомне число (і атомна маса) осколка не дорівнює половині атомної маси батька. Різниця між масами атомів, що утворилися внаслідок розщеплення, зазвичай становить близько 50. Щоправда, причина цього ще зовсім зрозуміла.

Енергії зв'язку 238 U, 145 La і 90 Br дорівнюють 1803, 1198 та 763 МеВ відповідно. Це означає, що в результаті цієї реакції вивільняється енергія поділу ядра урану, що дорівнює 1198 + 763-1803 = 158 МеВ.

Мимовільний поділ

Процеси спонтанного розщеплення відомі у природі, але дуже рідкісні. Середній час життя цього процесу становить близько 10 17 років, а, наприклад, середній час життя альфа-розпаду того ж радіонукліду становить близько 10 11 років.

Причина цього полягає в тому, що для того, щоб розділитися на дві частини, ядро має спочатку піддатися деформації (розтягтися) в еліпсоїдальну форму, а потім перед остаточним розщепленням на два фрагменти утворити «шийку» посередині.

Потенційний бар'єр

У деформованому стані на ядро діють дві сили. Одна з них – збільшена поверхнева енергія (поверхневий натяг краплі рідини пояснює її сферичну форму), а інша – кулонівське відштовхування між уламками поділу. Разом вони справляють потенційний бар'єр.

Як і у випадку альфа-розпаду, щоб відбулося спонтанне поділ ядра атома урану, фрагменти повинні подолати цей бар'єр за допомогою квантового тунелювання. Величина бар'єру становить близько 6 МеВ, як і у випадку з альфа-розпадом, але ймовірність тунелювання α-частинки значно більша, ніж значно важчого продукту розщеплення атома.

Вимушене розщеплення

Набагато найімовірнішим є індуковане розподіл ядра урану. У цьому випадку материнське ядро опромінюється нейтронами. Якщо батько його поглинає, вони зв'язуються, вивільняючи енергію зв'язку як коливальної енергії, що може перевищити 6 МеВ, необхідні подолання потенційного бар'єру.

Там, де енергії додаткового нейтрона недостатньо для подолання потенційного бар'єру, нейтрон, що падає, повинен мати мінімальну кінетичну енергію для того, щоб мати можливість індукувати розщеплення атома. Що стосується 238 U енергії зв'язку додаткових нейтронів бракує близько 1 МеВ. Це означає, що розподіл ядра урану індукується лише нейтроном з кінетичною енергією більше 1 МеВ. З іншого боку, ізотоп 235 має один непарний нейтрон. Коли ядро поглинає додатковий, він утворює з ним пару, і в результаті цього парування з'являється додаткова енергія зв'язку. Цього достатньо для звільнення кількості енергії, необхідної для того, щоб ядро подолало потенційний бар'єр і поділ ізотопу відбувався при зіткненні з будь-яким нейтроном.

Бета-розпад

Незважаючи на те, що при реакції поділу випромінюються три або чотири нейтрони, уламки, як і раніше, містять більше нейтронів, ніж їх стабільні ізобари. Це означає, що фрагменти розщеплення, як правило, нестійкі до бета-розпаду.

Наприклад, коли відбувається розподіл ядра урану 238 U, стабільним ізобаром з А = 145 є неодим 145 Nd, що означає, що фрагмент лантан 145 La розпадається в три етапи, щоразу випромінюючи електрон та антинейтрино, доки не буде утворено стабільний нуклід. Стабільним ізобаром з A = 90 є цирконій 90 Zr, тому уламок розщеплення бром 90 Br розпадається у п'ять етапів ланцюга β-розпаду.

Ці ланцюги β-розпаду виділяють додаткову енергію, яка майже вся виноситься електронами та антинейтрино.

Ядерні реакції: розподіл ядер урану

Пряме випромінювання нейтрону з нукліду з занадто великою кількістю для забезпечення стабільності ядра малоймовірно. Тут справа полягає в тому, що немає кулонівського відштовхування і тому поверхнева енергія має тенденцію до утримання нейтрону у зв'язку з батьком. Тим не менш, це іноді відбувається. Наприклад, фрагмент поділу 90 Br у першій стадії бета-розпаду виробляє криптон-90, який може бути у збудженому стані з достатньою енергією, щоб подолати поверхневу енергію. У цьому випадку випромінювання нейтронів може відбуватися безпосередньо з утворенням криптону-89. як і раніше, нестійкий по відношенню до β-розпаду, поки не перейде в стабільний ітрій-89, так що криптон-89 розпадається в три етапи.

Розподіл ядер урану: ланцюгова реакція

Нейтрони, що випускаються в реакції розщеплення, можуть бути поглинені іншим ядром-батьком, яке потім піддається індукованому поділу. У разі урану-238 три нейтрони, що виникають, виходять з енергією менше 1 МеВ (енергія, що виділяється при розподілі ядра урану - 158 МеВ - в основному переходить у кінетичну енергію уламків розщеплення), тому вони не можуть викликати подальшого розподілу цього нукліду. Тим не менш, при значній концентрації рідкісного ізотопу 235 U ці вільні нейтрони можуть бути захоплені ядрами 235 U, що дійсно може викликати розщеплення, так як в цьому випадку відсутня енергетичний поріг, нижче якого розподіл не індукується.

Такий принцип ланцюгової реакції.

Типи ядерних реакцій

Нехай k - число нейтронів, вироблене у зразку матеріалу, що ділиться на стадії n цього ланцюга, поділене на число нейтронів, утворених на стадії n - 1. Це число залежатиме від того, скільки нейтронів, отриманих на стадії n - 1, поглинаються ядром, яке може зазнати вимушеного поділу.

Якщо 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.

Якщо k > 1, то ланцюгова реакція зростатиме до тих пір, поки весь матеріал не буде використаний Це досягається шляхом збагачення природної руди до отримання досить великої концентрації урану-235. Для сферичного зразка величина k збільшується зі зростанням ймовірності поглинання нейтронів, що залежить від радіусу сфери. Тому маса U повинна перевищувати деяку щоб розподіл ядер урану (ланцюгова реакція) могло відбуватися.

Якщо k = 1, має місце керована реакція. Це використовують у ядерних реакторах. Процес контролюється розподілом серед урану стрижнів з кадмію або бору, які поглинають більшу частину нейтронів (ці елементи мають здатність захоплювати нейтрони). Розподіл ядра урану контролюється автоматично шляхом переміщення стрижнів таким чином, щоб величина k залишалася рівною одиниці.

Клас

Урок № 42-43

Ланцюгова реакція поділу ядер урану. Ядерна енергетика та екологія. Радіоактивність. Період напіврозпаду.

Ядерні реакції

Ядерна реакція – це процес взаємодії атомного ядра з іншим ядром або елементарною частинкою, що супроводжується зміною складу та структури ядра та виділенням вторинних частинок або γ-квантів.

В результаті ядерних реакцій можуть утворюватися нові радіоактивні ізотопи, яких немає на Землі у природних умовах.

Перша ядерна реакція була здійснена Е. Резерфордом у 1919 році у дослідах щодо виявлення протонів у продуктах розпаду ядер (див. § 9.5). Резерфорд бомбардував атоми азоту α-частинками. При зіткненні частинок відбувалася ядерна реакція, що протікала за такою схемою:

При ядерних реакціях виконується декілька законів збереження: імпульсу, енергії, моменту імпульсу, заряду. Крім цих класичних законів збереження при ядерних реакціях виконується закон збереження так званого баріонного заряду(тобто числа нуклонів – протонів та нейтронів). Виконується також низка інших законів збереження, специфічних для ядерної фізики та фізики елементарних частинок.

Ядерні реакції можуть протікати при бомбардуванні атомів швидкими зарядженими частинками (протони, нейтрони, -частки, іони). Перша така реакція була здійснена за допомогою протонів великої енергії, отриманих на прискорювачі, в 1932 році:

де M A і M B – маси вихідних продуктів, M C та M D – маси кінцевих продуктів реакції. Величина ΔM називається дефектом мас. Ядерні реакції можуть протікати із виділенням (Q > 0) або з поглинанням енергії (Q< 0). Во втором случае первоначальная кинетическая энергия исходных продуктов должна превышать величину |Q|, которая называется порогом реакции.

Для того, щоб ядерна реакція мала позитивний енергетичний вихід, питома енергія зв'язкунуклонів в ядрах вихідних продуктів має бути менше питомої енергії зв'язку нуклонів в ядрах кінцевих продуктів. Це означає, що величина M повинна бути позитивною.

Можливі два принципово різні способи звільнення ядерної енергії.

1. Поділ важких ядер. На відміну від радіоактивного розпаду ядер, що супроводжується випромінюванням α- або β-частинок, реакції поділу – це процес, при якому нестабільне ядро ділиться на два великі фрагменти порівнянних мас.

У 1939 році німецькими вченими О. Ганом та Ф. Штрассманом було відкрито поділ ядер урану. Продовжуючи дослідження, розпочаті Фермі, вони встановили, що з бомбардуванні урану нейтронами виникають елементи середньої частини періодичної системи – радіоактивні ізотопи барію (Z = 56), криптону (Z = 36) та інших.

Уран зустрічається у природі як двох ізотопів: (99,3 %) і (0,7 %). При бомбардуванні нейтронами ядра обох ізотопів можуть розщеплюватися на два уламки. У цьому реакція розподілу найбільш інтенсивно йде на повільних (теплових) нейтронах, тоді як ядра входять у реакцію розподілу лише з швидкими нейтронами з енергією близько 1 МеВ.

Основний інтерес для ядерної енергетики реакція поділу ядра В даний час відомі близько 100 різних ізотопів з масовими числами приблизно від 90 до 145, що виникають при розподілі цього ядра. Дві типові реакції поділу цього ядра мають вигляд:

Зверніть увагу, що в результаті розподілу ядра, ініційованого нейтроном, виникають нові нейтрони, здатні викликати реакції розподілу інших ядер. Продуктами поділу ядер урану-235 можуть бути й інші ізотопи барію, ксенону, стронцію, рубідії і т.д.

Кінетична енергія, що виділяється при розподілі одного ядра урану, величезна - близько 200 МеВ. Оцінку ядра енергії, що виділяє при розподілі, можна зробити за допомогою питомої енергії зв'язкунуклонів у ядрі. Питома енергія зв'язку нуклонів у ядрах з масовим числом A ≈ 240 близько 7,6 МеВ/нуклон, тоді як у ядрах з масовими числами A = 90-145 питома енергія приблизно дорівнює 8,5 МеВ/нуклон. Отже, при розподілі ядра урану звільняється енергія близько 0,9 МеВ/нуклон або 210 МеВ на один атом урану. При повному поділі всіх ядер, що містяться в 1 г урану, виділяється така ж енергія, як і при згорянні 3 т вугілля або 2,5 т нафти.

Продукти розподілу ядра урану нестабільні, оскільки у них міститься значне надлишкове число нейтронів. Справді, відношення N/Z для найважчих ядер порядку 1,6 (рис. 9.6.2), для ядер із масовими числами від 90 до 145 це відношення порядку 1,3–1,4. Тому ядра-уламки випробовують серію послідовних β-розпадів, в результаті яких число протонів в ядрі збільшується, а число нейтронів зменшується до тих пір, поки не утворюється стабільне ядро.

Малюнок 9.8.1. Схема розвитку ланцюгової реакції.

Для здійснення ланцюгової реакції необхідно, щоб так званий коефіцієнт розмноження нейтронівбув більше одиниці. Інакше кажучи, у кожному наступному поколінні нейтронів має бути більше, ніж у попередньому. Коефіцієнт розмноження визначається як числом нейтронів, які утворюються у кожному елементарному акті, а й умовами, у яких протікає реакція – частина нейтронів може поглинатися іншими ядрами чи виходити із зони реакції. Нейтрони, що звільнилися при розподілі ядер урану-235, здатні викликати розподіл лише ядер цього ж урану, частку якого у природному урані припадає лише 0,7 %. Така концентрація виявляється недостатньою для початку ланцюгової реакції. Ізотоп може поглинати нейтрони, але при цьому не виникає ланцюгової реакції.

Ланцюгова реакція в урані з підвищеним вмістом урану-235 може розвиватися тільки тоді, коли маса урану перевершує так звану критичну масу.У невеликих шматках урану більшість нейтронів, не потрапивши в жодне ядро, вилітають назовні. Для чистого урану-235 критична маса становить близько 50 кг. Критичну масу урану можна у багато разів зменшити, якщо використовувати так звані сповільнювачінейтронів. Справа в тому, що нейтрони, що народжуються при розпаді ядер урану, мають занадто великі швидкості, а ймовірність захоплення повільних нейтронів ядрами урану-235 у сотні разів більша, ніж швидких. Найкращим сповільнювачем нейтронів є важка вода D 2 O. Звичайна вода при взаємодії з нейтронами сама перетворюється на важку воду.

Хорошим сповільнювачем є графіт, ядра якого не поглинають нейтронів. При пружній взаємодії з ядрами дейтерію чи вуглецю нейтрони сповільнюються до теплових швидкостей.

Застосування сповільнювачів нейтронів та спеціальної оболонки з берилію, що відбиває нейтрони, дозволяє знизити критичну масу до 250 г.

В атомних бомбах ланцюгова некерована ядерна реакція виникає при швидкому з'єднанні двох шматків урану-235, кожен з яких має масу трохи нижче критичної.

Пристрій, у якому підтримується керована реакція поділу ядер, називається ядерним(або атомним) реактором. Схема ядерного реактора на повільних нейтронах наведено на рис. 9.8.2.

Малюнок 9.8.2. Схема влаштування ядерного реактора.

Ядерна реакція протікає в активній зоні реактора, заповнена сповільнювачем і пронизана стрижнями, що містять збагачену суміш ізотопів урану з підвищеним вмістом урану-235 (до 3%). В активну зону вводяться стрижні, що регулюють, що містять кадмій або бір, які інтенсивно поглинають нейтрони. Введення стрижнів у активну зону дозволяє керувати швидкістю ланцюгової реакції.

Активна зона охолоджується за допомогою теплоносія, що прокачується, в якості якого може застосовуватися вода або метал з низькою температурою плавлення (наприклад, натрій, що має температуру плавлення 98 °C). У парогенераторі теплоносій передає теплову енергію воді, перетворюючи її на пару високого тиску. Пара прямує в турбіну, з'єднану з електрогенератором. З турбіни пара надходить у конденсатор. Щоб уникнути витоку радіації контури теплоносія I та парогенератора II працюють за замкнутими циклами.

Турбіна атомної електростанції є тепловою машиною, що визначає відповідно до другого закону термодинаміки загальну ефективність станції. У сучасних атомних електростанцій коефіцієнт корисної дії приблизно дорівнює Отже, для виробництва 1000 МВт електричної потужності теплова потужність реактора повинна досягати 3000 МВт. 2000 МВт повинні виноситися водою, що охолоджує конденсатор. Це призводить до локального перегріву природних водойм та подальшого виникнення екологічних проблем.

Однак, головна проблема полягає у забезпеченні повної радіаційної безпеки людей, які працюють на атомних електростанціях, та запобіганні випадковим викидам радіоактивних речовин, які у великій кількості накопичуються в активній зоні реактора. Під час розробки ядерних реакторів цій проблемі приділяється велика увага. Проте, після аварій на деяких АЕС, зокрема на АЕС у Пенсільванії (США, 1979 р.) та на Чорнобильській АЕС (1986 р.), проблема безпеки ядерної енергетики постала з особливою гостротою.

Поряд з описаним вище ядерним реактором, що працює на повільних нейтронах, великий практичний інтерес представляють реактори, що працюють без сповільнювача на швидких нейтронах. Переважність реакторів на швидких нейтронах полягає в тому, що при їх роботі ядра урану-238, поглинаючи нейтрони, за допомогою двох послідовних β-розпадів перетворюються на ядра плутонію, які потім можна використовувати як ядерне паливо:

Коефіцієнт відтворення таких реакторів досягає 1,5, тобто на 1 кг урану-235 виходить до 1,5 кг плутонію. У звичайних реакторах також утворюється плутоній, але набагато менших кількостях.

Перший ядерний реактор було побудовано 1942 року у США під керівництвом Еге. Фермі. У нашій країні перший реактор був побудований в 1946 під керівництвом І. В. Курчатова.

2. Термоядерні реакції. Другий шлях звільнення ядерної енергії пов'язані з реакціями синтезу. При злитті легких ядер та утворенні нового ядра має виділятися велика кількість енергії. Це видно з кривої залежності питомої енергії зв'язку масового числа A (рис. 9.6.1). Аж до ядер з масовим числом близько 60 питома енергія зв'язку нуклонів зростає зі збільшенням A. Тому синтез будь-якого ядра з A< 60 из более легких ядер должен сопровождаться выделением энергии. Общая масса продуктов реакции синтеза будет в этом случае меньше массы первоначальных частиц.

Реакції злиття легких ядер звуться термоядерних реакцій,оскільки вони можуть протікати лише за дуже високих температур. Щоб два ядра вступили в реакцію синтезу, вони повинні зблизитись на відстань дії ядерних сил близько 2·10 –15 м, подолавши електричне відштовхування їх позитивних зарядів. Для цього середня кінетична енергія теплового руху молекул має перевищувати потенційну енергію кулонівської взаємодії. Розрахунок необхідної для цього температури T призводить до величини порядку 108-109К. Це надзвичайно висока температура. При такій температурі речовина знаходиться в повністю іонізованому стані, що називається плазмою.

Енергія, що виділяється при термоядерних реакціях, у розрахунку на один нуклон у кілька разів перевищує питому енергію, що виділяється в ланцюгових реакціях поділу ядер. Так, наприклад, у реакції злиття ядер дейтерію та тритію

виділяється 3,5 МеВ/нуклон. Загалом у цій реакції виділяється 17,6 МеВ. Це одна з найперспективніших термоядерних реакцій.

Здійснення керованих термоядерних реакційдасть людству нове екологічно чисте і практично невичерпне джерело енергії. Однак отримання надвисоких температур і утримання плазми, нагрітої до мільярда градусів, є найважчим науково-технічним завданням на шляху здійснення керованого термоядерного синтезу.

На даному етапі розвитку науки і техніки вдалося здійснити лише некеровану реакцію синтезуу водневій бомбі. Висока температура, необхідна для ядерного синтезу, досягається за допомогою вибуху звичайної уранової або плутонієвої бомби.

Термоядерні реакції відіграють надзвичайно важливу роль в еволюції Всесвіту. Енергія випромінювання Сонця та зірок має термоядерне походження.

Радіоактивність

Майже 90% відомих 2500 атомних ядер нестабільні. Нестабільне ядро мимоволі перетворюється на інші ядра з випромінюванням частинок. Ця властивість ядер називається радіоактивністю. У великих ядер нестабільність виникає внаслідок конкуренції між тяжінням нуклонів ядерними силами та кулонівським відштовхуванням протонів. Не існує стабільних ядер із зарядовим числом Z > 83 та масовим числом A > 209. Але радіоактивними можуть виявитися і ядра атомів із суттєво меншими значеннями чисел Z та A. Якщо ядро містить значно більше протонів, ніж нейтронів, то нестабільність обумовлюється надлишком енергії кулонівської взаємодії . Ядра, які містили б надлишок нейтронів над числом протонів, виявляються нестабільними внаслідок того, що маса нейтрону перевищує масу протону. Збільшення маси ядра призводить до збільшення енергії.

Явище радіоактивності було відкрито у 1896 році французьким фізиком А. Беккерелем, який виявив, що солі урану випромінюють невідоме випромінювання, здатне проникати через непрозорі для світла перешкоди та викликати почорніння фотоемульсії. Через два роки французькі фізики М. та П. Кюрі виявили радіоактивність торію та відкрили два нові радіоактивні елементи – полоній та радій

У подальші роки дослідженням природи радіоактивних випромінювань займалося багато фізиків, у тому числі Е. Резерфорд та його учні. Було з'ясовано, що радіоактивні ядра можуть випускати частки трьох видів: позитивно та негативно заряджені та нейтральні. Ці три види випромінювань були названі α-, β- та γ-випромінюваннями. На рис. 9.7.1 зображено схему експерименту, що дозволяє виявити складний склад радіоактивного випромінювання. У магнітному полі α- і β-промені зазнають відхилень у протилежні сторони, причому β-промені відхиляються значно більше. γ-промені в магнітному полі взагалі не відхиляються.

Ці три види радіоактивних випромінювань сильно відрізняються один від одного за здатністю іонізувати атоми речовини і, отже, проникаючої здатності. Найменшою проникною здатністю має α-випромінювання. У повітрі за нормальних умов α-промені проходять шлях у кілька сантиметрів. β-промені набагато менше поглинаються речовиною. Вони здатні пройти через шар алюмінію завтовшки кілька міліметрів. Найбільшу проникаючу здатність мають γ-промені, здатні проходити через шар свинцю товщиною 5-10 см.

У другому десятилітті XX століття після відкриття Е. Резерфордом ядерної будови атомів було твердо встановлено, що радіоактивність – це властивість атомних ядер. Дослідження показали, що α-промені представляють потік α-часток – ядер гелію , β-промені – це потік електронів, γ-промені є короткохвильовим електромагнітним випромінюванням з надзвичайно малою довжиною хвилі λ< 10 –10 м и вследствие этого – ярко выраженными корпускулярными свойствами, то есть является потоком частиц – γ-квантов.

Альфа-розпад. Альфа-розпадом називається мимовільне перетворення атомного ядра з числом протонів Z і нейтронів N в інше (дочірнє) ядро, що містить число протонів Z - 2 і нейтронів N - 2. При цьому α-частка - ядро атома гелію . Прикладом такого процесу може бути α-розпад радію:

Альфа-частинки, що випускаються ядрами атомів радію, використовувалися Резерфордом у дослідах з розсіювання на ядрах важких елементів. Швидкість α-часток, що випромінюються при α-розпаді ядер радію, виміряна по кривизні траєкторії в магнітному полі, приблизно дорівнює 1,5·10 7 м/с, а відповідна кінетична енергія близько 7,5·10 -13 Дж (приблизно 4, 8 МеВ). Ця величина легко може бути визначена за відомими значеннями мас материнського та дочірнього ядер та ядра гелію. Хоча швидкість α-частки, що вилітає, величезна, але вона все ж становить лише 5 % від швидкості світла, тому при розрахунку можна користуватися нерелятивістським виразом для кінетичної енергії.

Дослідження показали, що радіоактивна речовина може випромінювати α-частки з кількома дискретними значеннями енергій. Це тим, що ядра можуть бути, подібно атомам, у різних збуджених станах. В одному з таких збуджених станів може бути дочірнє ядро при α-розпаді. При подальшому переході цього ядра в основний стан випускається γ-квант. Схема α-розпаду радію з випромінюванням α-часток з двома значеннями кінетичних енергій наведена на рис. 9.7.2.

Таким чином, α-розпад ядер у багатьох випадках супроводжується γ-випромінюванням.

Теоретично α-розпаду передбачається, що усередині ядер можуть утворюватися групи, які з двох протонів і двох нейтронів, тобто α-частка. Материнське ядро є для α-часток потенційною ямою, яка обмежена потенційним бар'єром. Енергія α-частки в ядрі недостатня для подолання бар'єру (рис. 9.7.3). Виліт α-частинки з ядра виявляється можливим лише завдяки квантово-механічному явищу, яке називається тунельним ефектом. Згідно з квантовою механікою, існують відмінна від нуля ймовірність проходження частки під потенційним бар'єром. Явище тунелювання має імовірнісний характер.

Бета-розпад.При бета-розпаді з ядра вилітає електрон. Всередині ядер електрони існувати не можуть (див. § 9.5), вони виникають при β-розпаді внаслідок перетворення нейтрону на протон. Цей процес може відбуватися не лише всередині ядра, а й із вільними нейтронами. Середнє життя вільного нейтрона становить близько 15 хвилин. При розпаді нейтрон перетворюється на протон та електрон

Вимірювання показали, що в цьому процесі спостерігається порушення закону збереження енергії, так як сумарна енергія протона і електрона, що виникають при розпаді нейтрона, менше енергії нейтрона. У 1931 році В. Паулі висловив припущення, що при розпаді нейтрону виділяється ще одна частка з нульовими значеннями маси та заряду, яка забирає з собою частину енергії. Нова частка отримала назву нейтрино(маленький нейтрон). Через відсутність у нейтрино заряду та маси ця частка дуже слабко взаємодіє з атомами речовини, тому її надзвичайно важко виявити в експерименті. Іонізуюча здатність нейтрино настільки мала, що один акт іонізації повітря припадає приблизно на 500 км шляху. Ця частка була виявлена лише 1953 р. Нині відомо, що є кілька різновидів нейтрино. У процесі розпаду нейтрону виникає частка, що називається електронним антинейтрино. Вона позначається символом Тому реакція розпаду нейтрону записується як

Аналогічний процес відбувається і всередині ядер при β-розпаді. Електрон, що утворюється в результаті розпаду одного з ядерних нейтронів, негайно викидається з «батьківського дому» (ядра) з величезною швидкістю, яка може відрізнятися від швидкості світла лише на відсотках. Оскільки розподіл енергії, що виділяється при β-розпаді, між електроном, нейтрино та дочірнім ядром носить випадковий характер, β-електрони можуть мати різні швидкості в широкому інтервалі.

При -розпаді зарядове число Z збільшується на одиницю, а масове число A залишається незмінним. Дочірнє ядро виявляється ядром одного з ізотопів елемента, порядковий номер якого таблиці Менделєєва на одиницю перевищує порядковий номер вихідного ядра. Типовим прикладом β-розпаду може бути перетворення ізотону торію, що виникає при α-розпаді урану в паладій

Гамма-розпад. На відміну від α- та β-радіоактивності γ-радіоактивність ядер не пов'язана зі зміною внутрішньої структури ядра і не супроводжується зміною зарядового чи масового чисел. Як при α-, так і при β-розпаді дочірнє ядро може опинитися в деякому збудженому стані та мати надлишок енергії. Перехід ядра з збудженого стану в основне супроводжується випромінюванням одного або декількох γ-квантів, енергія яких може досягати декількох МеВ.

Закон радіоактивного розпаду. У кожному зразку радіоактивної речовини міститься безліч радіоактивних атомів. Так як радіоактивний розпад має випадковий характер і не залежить від зовнішніх умов, то закон зменшення кількості N(t) ядер, що не розпалися до цього моменту часу, може служити важливою статистичною характеристикою процесу радіоактивного розпаду.

Нехай за малий проміжок часу Δt кількість ядер, що не розпалися, N(t) змінилася на ΔN< 0. Так как вероятность распада каждого ядра неизменна во времени, что число распадов будет пропорционально количеству ядер N(t) и промежутку времени Δt:

Коефіцієнт пропорційності λ – це можливість розпаду ядра за час Δt = 1 с. Ця формула означає, що швидкість зміни функції N(t) прямо пропорційна самій функції.

де N 0 - початкове число радіоактивних ядер при t = 0. За час τ = 1 / λ кількість ядер, що не розпалися, зменшиться в e ≈ 2,7 рази. Величину τ називають середнім часом життярадіоактивного ядра.

Для практичного використання закон радіоактивного розпаду зручно записати в іншому вигляді, використовуючи як основу число 2, а не e:

Величина T називається періодом напіврозпаду. За час T розпадається половина первісної кількості радіоактивних ядер. Величини T і τ пов'язані співвідношенням

Період напіврозпаду – основна величина, що характеризує швидкість радіоактивного розпаду. Чим менший період напіврозпаду, тим інтенсивніше протікає розпад. Так, для урану T ≈ 4,5 млрд років, а для радію T ≈ 1600 років. Тому активність радію значно вища, ніж урану. Існують радіоактивні елементи з періодом напіврозпаду на частки секунди.

Не виявленого в природних умовах, і закінчується на вісмуті Ця серія радіоактивних розпадів виникає в ядерних реакторах.

Цікавим застосуванням радіоактивності є метод датування археологічних та геологічних знахідок щодо концентрації радіоактивних ізотопів. Найчастіше використовується радіовуглецевий метод датування. Нестабільний ізотоп вуглецю виникає у атмосфері внаслідок ядерних реакцій, викликаних космічними променями. Невеликий відсоток цього ізотопу міститься в повітрі поряд із звичайним стабільним ізотопом Рослини та інші організми споживають вуглець з повітря, і в них накопичуються обидва ізотопи в тій же пропорції, як і в повітрі. Після загибелі рослин вони перестають споживати вуглець і нестабільний ізотоп у результаті β-розпаду поступово перетворюється на азот із періодом напіврозпаду 5730 років. Шляхом точного виміру відносної концентрації радіоактивного вуглецю в останках давніх організмів можна визначити час їхньої загибелі.

Радіоактивне випромінювання всіх видів (альфа, бета, гамма, нейтрони), а також електромагнітна радіація (рентгенівське випромінювання) мають дуже сильний біологічний вплив на живі організми, який полягає в процесах збудження та іонізації атомів і молекул, що входять до складу живих клітин. Під дією іонізуючої радіації руйнуються складні молекули та клітинні структури, що призводить до променевого ураження організму. Тому при роботі з будь-яким джерелом радіації необхідно вживати всіх заходів щодо радіаційного захисту людей, які можуть потрапити до зони дії випромінювання.

Однак людина може піддаватися дії іонізуючої радіації та в побутових умовах. Серйозну небезпеку здоров'ю може представляти інертний, безбарвний, радіоактивний газ радон Як видно із схеми, зображеної на рис. 9.7.5 радон є продуктом α-розпаду радію і має період напіврозпаду T = 3,82 діб. Радій у невеликих кількостях міститься у ґрунті, у каменях, у різних будівельних конструкціях. Незважаючи на порівняно невеликий час життя, концентрація радону безперервно поповнюється за рахунок нових розпадів ядер радію, тому радон може накопичуватися в закритих приміщеннях. Потрапляючи в легені, радон випускає α-частинки і перетворюється на полоній, який не є хімічно інертною речовиною. Далі слідує ланцюг радіоактивних перетворень серії урану (рис. 9.7.5). За даними Американської комісії радіаційної безпеки та контролю, людина в середньому отримує 55% іонізуючої радіації за рахунок радону та лише 11% за рахунок медичних обслуговувань. Вклад космічних променів становить приблизно 8%. Загальна доза опромінення, яку отримує людина за життя, набагато менше гранично допустимої дози(ПДР), яка встановлюється для людей деяких професій, що зазнають додаткового опромінення іонізуючою радіацією.