Kết quả của phản ứng dây chuyền phân hạch, uranium được hình thành. Phản ứng phân hạch hạt nhân và phản ứng dây chuyền phân hạch

bài học vật lý lớp 9

"Sự phân hạch của hạt nhân uranium. Phản ứng dây chuyền"

Mục đích của bài học: giúp học sinh làm quen với quá trình phân hạch hạt nhân nguyên tử urani, cơ chế của phản ứng dây chuyền.

Nhiệm vụ:

giáo dục:

nghiên cứu cơ chế phân hạch hạt nhân của uranium-235; giới thiệu khái niệm khối lượng tới hạn; xác định các yếu tố quyết định diễn biến của phản ứng dây chuyền.

giáo dục:

giúp học sinh hiểu được tầm quan trọng của những khám phá khoa học và mối nguy hiểm có thể đến từ những thành tựu khoa học với thái độ thiếu suy nghĩ, mù chữ hoặc vô đạo đức đối với chúng.

đang phát triển:

phát triển tư duy logic; phát triển lời nói độc thoại và đối thoại; phát triển các thao tác trí óc ở học sinh: phân tích, so sánh, học tập. Hình thành ý tưởng về sự toàn vẹn của bức tranh thế giới

Loại bài học: bài học.

Các năng lực, sự hình thành mà bài học hướng tới:

giá trị-ngữ nghĩa - khả năng nhìn và hiểu thế giới xung quanh,

văn hóa nói chung - nắm vững bức tranh khoa học về thế giới của học sinh,

giáo dục và nhận thức - khả năng phân biệt sự thật với phỏng đoán,

Giao tiếp - kỹ năng làm việc theo nhóm, sở hữu các vai trò xã hội khác nhau trong nhóm,

năng lực tự hoàn thiện cá nhân - văn hóa tư duy và hành vi

Tiến trình bài học: 1. Thời điểm tổ chức.

Một bài học mới đã đến. Tôi sẽ mỉm cười với bạn và bạn sẽ mỉm cười với nhau. Và hãy nghĩ: thật tốt biết bao khi tất cả chúng ta có mặt ở đây cùng nhau hôm nay. Chúng tôi khiêm tốn và tốt bụng, thân thiện và tình cảm. Tất cả chúng tôi đều khỏe mạnh. - Hít sâu và thở ra. Thở ra sự oán giận, tức giận và lo lắng của ngày hôm qua. Chúc các em học tốt .

2. Kiểm tra bài tập về nhà.

Bài kiểm tra.

1. Điện tích trên hạt nhân là gì?

1) dương 2) âm 3) hạt nhân không mang điện

2. Hạt alpha là gì?

1) electron 2) hạt nhân nguyên tử heli

3) bức xạ điện từ

3. Hạt nhân của nguyên tử berili chứa bao nhiêu proton và nơtron?

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

4. Hạt nhân của nguyên tố hóa học nào được hình thành trong quá trình phân rã α của radium?

Ra → ? + Anh ấy.

1) radon 2) uranium 3) fermium

5. Khối lượng của hạt nhân luôn bằng ... tổng khối lượng của các nuclon tạo nên nó.

1) lớn hơn 2) bằng 3) nhỏ hơn

6. Nơtron là hạt

1) có điện tích +1, khối lượng nguyên tử bằng 1;

2) có một khoản phí – 1, khối lượng nguyên tử 0;

3) có điện tích bằng 0, khối lượng nguyên tử bằng 1.

7. Chỉ rõ sản phẩm thứ hai của phản ứng hạt nhân

Đáp án: Cách 1. 1)1; 2)2; 3)3; 4)1; 5)3; 6)3; 7)3.

8. Làm thế nào để các proton tương tác điện với nhau trong hạt nhân?

9. Một khiếm khuyết hàng loạt là gì? Viết ra công thức.

10. Năng lượng liên kết là gì? Viết ra công thức.

Học tài liệu mới.

Gần đây chúng tôi đã biết rằng một số nguyên tố hóa học được chuyển đổi thành các nguyên tố hóa học khác trong quá trình phân rã phóng xạ. Và bạn nghĩ điều gì sẽ xảy ra nếu một số hạt được hướng vào hạt nhân nguyên tử của một nguyên tố hóa học nào đó, ví dụ, một neutron vào hạt nhân uranium?

Năm 1939, các nhà khoa học người Đức Otto Hahn và Fritz Strassmann đã phát hiện ra sự phân hạch của hạt nhân uranium. Họ phát hiện ra rằng khi uranium bị bắn phá bằng neutron, các nguyên tố ở phần giữa của hệ tuần hoàn phát sinh - đồng vị phóng xạ của bari (Z = 56), krypton (Z = 36), v.v.

Chúng ta hãy xem xét chi tiết hơn quá trình phân hạch của hạt nhân uranium trong quá trình bắn phá neutron theo hình vẽ. Một neutron đi vào hạt nhân uranium được hấp thụ bởi nó. Hạt nhân bị kích thích và bắt đầu biến dạng giống như một giọt chất lỏng.

Hạt nhân đi vào trạng thái kích thích và bắt đầu biến dạng. Tại sao lõi chia thành 2 phần? Những lực nào gây ra sự phá vỡ?

Lực nào tác dụng bên trong hạt nhân?

– Tĩnh điện và hạt nhân.

Được rồi, vậy lực tĩnh điện tự biểu hiện như thế nào?

- Lực tĩnh điện tác dụng giữa các hạt mang điện. Hạt mang điện trong hạt nhân là proton. Vì proton tích điện dương nên giữa chúng có lực đẩy.

Đúng, nhưng làm thế nào để các lực lượng hạt nhân tự biểu hiện?

- Lực hạt nhân là lực hấp dẫn giữa tất cả các nuclon.

Vậy hạt nhân bị vỡ dưới tác dụng của những lực nào?

– (Nếu có khó khăn, tôi đặt câu hỏi dẫn dắt và dẫn dắt học sinh đi đến kết luận đúng) Dưới tác dụng của lực đẩy tĩnh điện, hạt nhân bị xé thành hai phần phân tán theo các hướng khác nhau và phát ra 2-3 nơtron.

Nó kéo dài cho đến khi lực đẩy điện bắt đầu chiếm ưu thế so với lực đẩy hạt nhân. Hạt nhân vỡ thành hai mảnh, giải phóng hai hoặc ba neutron. Đây là công nghệ phân hạch hạt nhân uranium.

Các mảnh phân tán với tốc độ rất cao. Nó chỉ ra rằng một phần năng lượng bên trong của hạt nhân được chuyển thành động năng của các mảnh và hạt bay. Các mảnh vỡ được thải ra môi trường. Bạn nghĩ điều gì đang xảy ra với họ?

– Các mảnh bị giảm tốc trong môi trường.

Để không vi phạm định luật bảo toàn cơ năng ta phải cho biết động năng sẽ xảy ra hiện tượng gì?

– Động năng của các mảnh được chuyển hóa thành nội năng của môi trường.

Có thể nhận thấy rằng năng lượng bên trong của phương tiện đã thay đổi?

Vâng, môi trường đang nóng lên.

Nhưng liệu sự thay đổi năng lượng bên trong có bị ảnh hưởng bởi yếu tố số lượng hạt nhân uranium khác nhau sẽ tham gia phản ứng phân hạch không?

- Tất nhiên, với sự phân hạch đồng thời của một số lượng lớn hạt nhân uranium, năng lượng bên trong của môi trường xung quanh uranium tăng lên.

Từ quá trình hóa học, bạn biết rằng các phản ứng có thể xảy ra cả với sự hấp thụ và giải phóng năng lượng. Chúng ta có thể nói gì về quá trình phản ứng phân hạch uranium?

- Phản ứng phân hạch hạt nhân urani tỏa năng lượng ra môi trường.

(Trang trình bày 13)

Uranium xảy ra trong tự nhiên ở dạng hai đồng vị: U (99,3%) và U (0,7%). Trong trường hợp này, phản ứng phân hạch U diễn ra mạnh nhất đối với các neutron chậm, trong khi hạt nhân U chỉ hấp thụ một neutron và không xảy ra phản ứng phân hạch. Do đó, mối quan tâm chính là phản ứng phân hạch của hạt nhân U. Hiện tại, khoảng 100 đồng vị khác nhau có số khối từ khoảng 90 đến 145 đã được biết đến, phát sinh từ sự phân hạch của hạt nhân này. Hai phản ứng phân hạch điển hình của hạt nhân này có dạng:

Lưu ý rằng năng lượng giải phóng trong quá trình phân hạch của hạt nhân uranium là rất lớn. Ví dụ, với sự phân hạch hoàn toàn của tất cả các hạt nhân chứa trong 1 kg uranium, năng lượng được giải phóng tương tự như khi đốt cháy 3000 tấn than. Hơn nữa, năng lượng này có thể được giải phóng ngay lập tức.

(Trang trình bày 14)

Đã tìm ra điều gì sẽ xảy ra với các mảnh vỡ Các neutron sẽ hoạt động như thế nào?

Trong quá trình phân hạch của hạt nhân uranium-235, do va chạm với neutron, 2 hoặc 3 neutron được giải phóng. Trong điều kiện thuận lợi, các neutron này có thể va chạm với các hạt nhân uranium khác và khiến chúng phân hạch. Ở giai đoạn này, từ 4 đến 9 neutron sẽ xuất hiện, có khả năng gây ra sự phân rã mới của hạt nhân uranium, v.v. Một quá trình giống như tuyết lở như vậy được gọi là Phản ứng dây chuyền. (Bài viết ghi chép: Phản ứng hạt nhân dây chuyền- một chuỗi các phản ứng hạt nhân, mỗi phản ứng được gây ra bởi một hạt xuất hiện dưới dạng sản phẩm phản ứng ở bước trước của chuỗi). Sơ đồ phát triển phản ứng dây chuyền phân hạch hạt nhân uranium sẽ được xem xét chi tiết hơn trong video clip chuyển động chậm để xem xét chi tiết hơn

Chúng ta thấy rằng tổng số neutron tự do trong một mảnh uranium tăng lên như tuyết lở theo thời gian. Điều này có thể dẫn đến điều gì?

- Đến vụ nổ.

Tại sao?

- Số lần phân hạch hạt nhân tăng lên và theo đó là năng lượng tỏa ra trong một đơn vị thời gian.

Nhưng sau tất cả, một lựa chọn khác cũng khả thi, trong đó số lượng neutron tự do giảm dần theo thời gian, hạt nhân không gặp neutron trên đường đi của nó. Trong trường hợp này điều gì xảy ra với phản ứng dây chuyền?

- Nó sẽ dừng lại.

Năng lượng của những phản ứng như vậy có thể được sử dụng cho mục đích hòa bình?

Phản ứng nên tiến hành như thế nào?

Phản ứng phải tiến hành sao cho số nơtron không đổi theo thời gian.

Làm thế nào có thể đảm bảo rằng số lượng neutron luôn không đổi?

– (gợi ý các bạn)

Để giải quyết vấn đề này, cần phải biết những yếu tố nào ảnh hưởng đến sự tăng và giảm tổng số neutron tự do trong một mảnh uranium trong đó xảy ra phản ứng dây chuyền.

(Trang trình bày 15)

Một trong những yếu tố này là khối lượng uran . Thực tế là không phải mọi neutron phát ra trong quá trình phân hạch hạt nhân đều gây ra sự phân hạch của các hạt nhân khác. Nếu khối lượng (và theo đó, kích thước) của một mảnh uranium quá nhỏ, thì nhiều neutron sẽ bay ra khỏi nó, không có thời gian để gặp hạt nhân trên đường đi của chúng, gây ra sự phân hạch của nó và do đó tạo ra một thế hệ uranium mới. neutron cần thiết để tiếp tục phản ứng. Trong trường hợp này, phản ứng dây chuyền sẽ dừng lại. Để phản ứng tiếp tục xảy ra, cần tăng khối lượng của urani đến một giá trị xác định, gọi là phê bình.

Tại sao một phản ứng dây chuyền có thể xảy ra với sự gia tăng khối lượng?

Để một phản ứng dây chuyền xảy ra, điều cần thiết là cái gọi là hệ số nhân neutron lớn hơn một. Nói cách khác, nên có nhiều neutron hơn trong mỗi thế hệ tiếp theo so với thế hệ trước. Hệ số nhân được xác định không chỉ bởi số lượng neutron được tạo ra trong mỗi sự kiện cơ bản, mà còn bởi các điều kiện mà phản ứng diễn ra - một số neutron có thể được hấp thụ bởi các hạt nhân khác hoặc rời khỏi vùng phản ứng. Các neutron được giải phóng trong quá trình phân hạch hạt nhân uranium-235 chỉ có thể gây ra sự phân hạch của các hạt nhân của cùng một loại uranium, chỉ chiếm 0,7% uranium tự nhiên. Nồng độ này không đủ để bắt đầu một phản ứng dây chuyền. Đồng vị U cũng có thể hấp thụ neutron, nhưng không xảy ra phản ứng dây chuyền.

( Sổ ghi chép: hệ số nhân nơtronk - tỷ số giữa số nơtron của thế hệ sau so với số nơtron của thế hệ trước trong toàn bộ thể tích của môi trường nhân nơtron)

Phản ứng dây chuyền trong uranium có hàm lượng uranium-235 cao chỉ có thể phát triển khi khối lượng uranium vượt quá cái gọi là khối lượng tới hạn. Trong các mảnh uranium nhỏ, hầu hết các neutron bay ra ngoài mà không va vào hạt nhân nào. Đối với uranium-235 tinh khiết, khối lượng tới hạn là khoảng 50 kg.

( Sổ ghi chép: khối lượng tới hạn- lượng vật liệu phân hạch tối thiểu cần thiết để bắt đầu phản ứng phân hạch dây chuyền tự duy trì).

(Slide 16)

Khối lượng tới hạn của uranium có thể giảm đi nhiều lần bằng cách sử dụng cái gọi là bộ điều tiết neutron. Thực tế là các neutron được tạo ra trong quá trình phân rã hạt nhân uranium có tốc độ quá cao và xác suất bắt được neutron chậm của hạt nhân uranium-235 lớn hơn hàng trăm lần so với hạt nhân nhanh. Chất điều tiết neutron tốt nhất là nước nặng H 2 O. Khi tương tác với neutron, nước thông thường tự biến thành nước nặng.

Một chất điều hành tốt cũng là than chì, hạt nhân của nó không hấp thụ neutron. Trong quá trình tương tác đàn hồi với hạt nhân deuterium hoặc carbon, neutron làm chậm chuyển động của chúng.

Việc sử dụng bộ điều tiết neutron và lớp vỏ berili đặc biệt phản xạ neutron giúp giảm khối lượng tới hạn xuống 250 g (0,25 kg).

Sổ ghi chép:

Khối lượng tới hạn có thể giảm nếu:

Sử dụng chất làm chậm (than chì, nước thường và nước nặng)

Vỏ phản quang (beryllium)).

Và trong bom nguyên tử, một phản ứng hạt nhân dây chuyền không kiểm soát xảy ra khi hai mảnh uranium-235 nhanh chóng kết hợp với nhau, mỗi mảnh có khối lượng thấp hơn một chút so với khối lượng tới hạn.

Bom nguyên tử là một vũ khí khủng khiếp. Các yếu tố gây hại là: 1) Bức xạ ánh sáng (ở đây bao gồm tia X và bức xạ nhiệt); 2) sóng xung kích; 3) ô nhiễm bức xạ của khu vực. Nhưng sự phân hạch của hạt nhân uranium cũng được sử dụng cho mục đích hòa bình - đây là trong các lò phản ứng hạt nhân tại các nhà máy điện hạt nhân. Chúng ta sẽ xem xét các quá trình xảy ra trong những trường hợp này trong bài tiếp theo.

Giữa thế kỷ 20 được xác định bởi sự tăng tốc của khoa học: một sự tăng tốc tuyệt vời, việc đưa các thành tựu khoa học vào sản xuất và cuộc sống của chúng ta. Tất cả những điều này khiến chúng ta phải suy nghĩ - ngày mai khoa học sẽ cho chúng ta điều gì?
Để giảm bớt tất cả những khó khăn của sự tồn tại của con người - đây là mục tiêu chính của khoa học thực sự tiến bộ. Để làm cho nhân loại hạnh phúc hơn - không phải một, không phải hai, mà là nhân loại. Và điều này rất quan trọng, bởi vì như bạn đã biết, khoa học cũng có thể chống lại con người. Vụ nổ nguyên tử ở các thành phố của Nhật Bản - Hiroshima và Nagasaki là một ví dụ bi thảm về điều này.

Vì vậy, năm 1945, tháng Tám. Chiến tranh thế giới thứ hai sắp kết thúc.

(trượt 2)

Vào ngày 6 tháng 8, lúc 1:45 sáng, một máy bay ném bom B-29 của Mỹ, do Đại tá Paul Tibbets chỉ huy, cất cánh từ một hòn đảo cách Hiroshima khoảng 6 giờ.

(Trang trình bày 3)

Hiroshima sau vụ nổ nguyên tử.

Bóng ai lang thang vô hình,
Bạn có bị mù vì bất hạnh không?
Đây là Hiroshima đang khóc
Mây tro bụi.
Giọng nói của ai trong bóng tối nóng bỏng
Nghe điên cuồng?
Đây là Nagasaki đang khóc
Trên đất cháy
Trong tiếng khóc nức nở này
Không có sự giả dối
Cả thế giới đang đóng băng trong dự đoán -
Ai sẽ khóc tiếp đây?

(Trang trình bày 4)

Số người chết do ảnh hưởng trực tiếp của vụ nổ dao động từ 70 đến 80 nghìn người. Đến cuối năm 1945, do ảnh hưởng của nhiễm phóng xạ và các hậu quả khác của vụ nổ, tổng số người chết dao động từ 90 đến 166 nghìn người. Sau 5 năm, tổng số người chết lên tới 200.000 người.

(Trang trình bày 5)

Ngày 6-8, sau khi nhận được tin ném bom nguyên tử thành công xuống Hi-rô-si-ma, Tổng thống Mỹ Truman tuyên bố:

“Chúng tôi hiện đã sẵn sàng phá hủy, thậm chí còn nhanh hơn và hoàn toàn hơn trước, tất cả các cơ sở sản xuất trên đất liền của Nhật Bản ở bất kỳ thành phố nào. Chúng tôi sẽ phá hủy bến tàu, nhà máy và thông tin liên lạc của họ. Đừng có hiểu lầm - chúng ta sẽ phá hủy hoàn toàn khả năng tiến hành chiến tranh của Nhật Bản."

(Slide 6)

Vào lúc 2:47 ngày 9 tháng 8, một máy bay ném bom B-29 của Mỹ dưới sự chỉ huy của một thiếu tá, mang theo một quả bom nguyên tử trên máy bay, đã cất cánh khỏi đảo. Lúc 10:56 B-29 đến Nagasaki. Vụ nổ xảy ra lúc 11:02 giờ địa phương.

(Slide 7)

Số người chết đến cuối năm 1945 dao động từ 60 đến 80 nghìn người. Sau 5 năm, tổng số người chết, bao gồm tử vong do ung thư và các tác động lâu dài khác của vụ nổ, có thể lên tới hoặc thậm chí vượt quá 140.000 người.

Đó là câu chuyện, buồn và cảnh báo

Mỗi người không phải là một hòn đảo,

mỗi người là một phần của một lục địa rộng lớn.
Và đừng bao giờ hỏi chuông nguyện hồn ai.
Anh ấy gọi cho bạn ...

củng cố.

Hôm nay chúng ta học gì trong lớp? (với cơ chế phân hạch hạt nhân uranium, với phản ứng dây chuyền)

Điều kiện để xảy ra phản ứng dây chuyền là gì?

Khối lượng tới hạn là gì?

Hệ số nhân là gì?

Cái gì phục vụ như một bộ điều tiết neutron?

Sự phản xạ.

Bạn rời khỏi buổi học với tâm trạng nào?

Sự đánh giá.

Bài tập về nhà: tr 74,75, câu hỏi tr 252-253

Phản ứng hạt nhân dây chuyền. Kết quả của các thí nghiệm về bức xạ neutron của uranium, người ta thấy rằng dưới tác dụng của neutron, hạt nhân uranium được chia thành hai hạt nhân (mảnh) có khối lượng và điện tích xấp xỉ một nửa; quá trình này đi kèm với sự phát xạ của một số (hai hoặc ba) neutron (Hình 402). Ngoài uranium, một số nguyên tố khác trong số các nguyên tố cuối cùng của hệ thống định kỳ Mendeleev có khả năng phân hạch. Những nguyên tố này, giống như uranium, phân hạch không chỉ dưới tác động của neutron mà còn không có tác động bên ngoài (một cách tự phát). Sự phân hạch tự phát được xác lập bằng thực nghiệm bởi các nhà vật lý Liên Xô K. A. Petrzhak và Georgy Nikolaevich Flerov (sinh năm 1913) vào năm 1940. Đó là một quá trình rất hiếm. Vì vậy, trong 1 g uranium, chỉ có khoảng 20 phản ứng phân hạch tự phát xảy ra mỗi giờ.

Cơm. 402. Sự phân hạch của hạt nhân urani dưới tác dụng của nơtron: a) hạt nhân thu một nơtron; b) tác động của nơtron lên hạt nhân làm cho hạt nhân dao động; c) hạt nhân bị chia thành hai mảnh; nhiều neutron được phát ra.

Do lực đẩy tĩnh điện lẫn nhau, các mảnh phân hạch phân tán theo các hướng ngược nhau, thu được động năng rất lớn (khoảng ). Do đó, phản ứng phân hạch xảy ra với sự giải phóng năng lượng đáng kể. Các mảnh chuyển động nhanh làm ion hóa mạnh các nguyên tử của môi trường. Thuộc tính này của các mảnh được sử dụng để phát hiện các quá trình phân hạch bằng cách sử dụng buồng ion hóa hoặc buồng đám mây. Một bức ảnh về dấu vết của các mảnh vỡ phân hạch trong buồng mây được hiển thị trong hình. 403. Điều cực kỳ quan trọng là các neutron phát ra trong quá trình phân hạch hạt nhân uranium (được gọi là neutron phân hạch thứ cấp) có khả năng gây ra sự phân hạch của các hạt nhân uranium mới. Nhờ đó, có thể thực hiện phản ứng dây chuyền phân hạch: một khi đã phát sinh, về nguyên tắc, phản ứng có thể tự tiếp tục, bao phủ số lượng hạt nhân ngày càng tăng. Sơ đồ phát triển của phản ứng cellon đang phát triển như vậy được thể hiện trong Hình. 404.

Cơm. 403. Ảnh chụp dấu vết các mảnh uranium phân hạch trong buồng mây: các mảnh () phân tán theo các hướng ngược nhau từ một lớp uranium mỏng lắng đọng trên một tấm ngăn buồng. Hình ảnh cũng cho thấy nhiều dấu vết mỏng hơn thuộc về các proton bị neutron đánh bật ra khỏi các phân tử xe nước chứa trong buồng.

Thực hiện phản ứng dây chuyền phân hạch không dễ dàng trong thực tế; Kinh nghiệm cho thấy trong khối uran tự nhiên không xảy ra phản ứng dây chuyền. Lý do cho điều này nằm ở sự mất mát của các neutron thứ cấp; trong uranium tự nhiên, hầu hết các neutron nằm ngoài trò chơi mà không gây ra phản ứng phân hạch. Như các nghiên cứu đã tiết lộ, sự mất neutron xảy ra ở đồng vị phổ biến nhất của uranium - uranium - 238 (). Đồng vị này dễ dàng hấp thụ neutron trong một phản ứng tương tự như phản ứng của bạc với neutron (xem § 222); điều này tạo ra một đồng vị phóng xạ nhân tạo. Nó phân chia khó khăn và chỉ dưới tác động của neutron nhanh.

Một đồng vị chứa trong uranium tự nhiên với số lượng có nhiều đặc tính thành công hơn cho phản ứng dây chuyền. Nó được phân chia dưới tác động của neutron với bất kỳ năng lượng nào - nhanh và chậm, và càng tốt, năng lượng neutron càng thấp. Quá trình cạnh tranh với phản ứng phân hạch - sự hấp thụ đơn giản của neutron - không thể trái ngược với. Do đó, trong uranium-235 tinh khiết, có thể xảy ra phản ứng phân hạch dây chuyền, tuy nhiên, với điều kiện là khối lượng của uranium-235 đủ lớn. Ở uranium có khối lượng thấp, phản ứng phân hạch bị chấm dứt do sự phát ra neutron thứ cấp bên ngoài vật chất của nó.

Cơm. 404. Phát triển phản ứng phân hạch có giá trị: Người ta chấp nhận một cách có điều kiện rằng hai neutron được phát ra trong quá trình phân hạch hạt nhân và không có tổn thất neutron, tức là mỗi neutron gây ra một phản ứng phân hạch mới; vòng tròn - mảnh phân hạch, mũi tên - neutron phân hạch

Thật vậy, do kích thước siêu nhỏ của hạt nhân nguyên tử, một neutron di chuyển một quãng đường dài trong vật chất (được đo bằng centimet) trước khi vô tình va vào một hạt nhân. Nếu kích thước của cơ thể nhỏ, thì khả năng xảy ra va chạm trên đường đến lối ra là nhỏ. Hầu như tất cả các neutron phân hạch thứ cấp bay ra ngoài bề mặt vật thể mà không gây ra các phân hạch mới, tức là không tiếp tục phản ứng.

Từ một vật thể có kích thước lớn chủ yếu là nơtron hình thành ở lớp bề mặt bay ra ngoài. Các neutron hình thành bên trong cơ thể có đủ độ dày uranium ở phía trước và phần lớn gây ra các phân hạch mới, tiếp tục phản ứng (Hình 405). Khối lượng uranium càng lớn thì phần thể tích là lớp bề mặt càng nhỏ, từ đó nhiều neutron bị mất đi và càng tạo điều kiện thuận lợi cho sự phát triển của phản ứng dây chuyền.

Cơm. 405. Phát triển phản ứng phân hạch dây chuyền trong . a) Ở khối lượng nhỏ, phần lớn nơtron phân hạch bay ra. b) Trong khối uran lớn, nhiều nơtron phân hạch gây ra sự phân hạch hạt nhân mới; số lượng các bộ phận tăng từ thế hệ này sang thế hệ khác. Vòng tròn - mảnh phân hạch, mũi tên - neutron phân hạch

Bằng cách tăng dần số lượng, chúng ta sẽ đạt đến khối lượng tới hạn, tức là khối lượng nhỏ nhất, bắt đầu từ đó phản ứng phân hạch dây chuyền bền vững có thể xảy ra. Với sự gia tăng hơn nữa về khối lượng, phản ứng sẽ bắt đầu phát triển nhanh chóng (nó sẽ được bắt đầu bằng sự phân hạch tự phát). Khi khối lượng giảm xuống dưới giá trị tới hạn, phản ứng phân rã.

Vì vậy, bạn có thể thực hiện phản ứng phân hạch dây chuyền. Nếu bạn có đủ tinh khiết, tách ra khỏi.

Như chúng ta đã thấy trong §202, tách đồng vị là một hoạt động phức tạp và tốn kém, nhưng vẫn có thể thực hiện được. Thật vậy, khai thác uranium tự nhiên là một trong những cách mà phản ứng phân hạch dây chuyền được đưa vào thực tế.

Cùng với đó, phản ứng dây chuyền đã đạt được theo một cách khác, không yêu cầu tách các đồng vị uranium. Phương pháp này có phần phức tạp hơn về nguyên tắc, nhưng dễ thực hiện hơn. Nó sử dụng sự chậm lại của neutron phân hạch thứ cấp nhanh với tốc độ của chuyển động nhiệt. Chúng ta đã thấy rằng trong uranium tự nhiên, các neutron thứ cấp trực tiếp chủ yếu được hấp thụ bởi đồng vị . Vì sự hấp thụ trong không dẫn đến phân hạch nên phản ứng kết thúc. Các phép đo cho thấy rằng khi neutron bị làm chậm lại tới vận tốc nhiệt, công suất hấp thụ tăng nhiều hơn công suất hấp thụ . Sự hấp thụ neutron của đồng vị, dẫn đến phân hạch, chiếm thế thượng phong. Do đó, nếu các neutron phân hạch bị làm chậm lại, ngăn không cho chúng bị hấp thụ vào urani tự nhiên, thì một phản ứng dây chuyền sẽ có thể xảy ra với uranium tự nhiên.

Cơm. 406. Một hệ thống uranium tự nhiên và chất điều hòa trong đó có thể phát triển phản ứng phân hạch dây chuyền

Trong thực tế, kết quả này đạt được bằng cách đặt các thanh ống khói uranium tự nhiên ở dạng mạng tinh thể hiếm trong bộ điều tiết (Hình 406). Các chất có khối lượng nguyên tử thấp và hấp thụ neutron yếu được sử dụng làm chất điều hòa. Chất điều tiết tốt là than chì, nước nặng, berili.

Hãy để sự phân hạch của hạt nhân uranium diễn ra ở một trong các thanh. Vì thanh tương đối mỏng nên các nơtron thứ cấp nhanh sẽ bay gần như toàn bộ vào bộ điều hòa. Các thanh nằm trong mạng khá hiếm. Trước khi va vào thanh mới, nơtron phát ra trải qua nhiều va chạm với hạt nhân của chất điều hòa và chậm lại bằng tốc độ chuyển động nhiệt (Hình 407). Sau đó, khi va vào thanh uranium, neutron rất có thể sẽ bị hấp thụ và gây ra phản ứng phân hạch mới, do đó tiếp tục phản ứng. Phản ứng dây chuyền phân hạch lần đầu tiên được thực hiện ở Hoa Kỳ vào năm 1942. một nhóm các nhà khoa học do nhà vật lý người Ý Enrico Fermi (1901-1954) dẫn đầu trong một hệ thống với uranium tự nhiên. Quá trình này được thực hiện độc lập ở Liên Xô vào năm 1946. Viện sĩ Igor Vasilievich Kurchatov (1903-1960) cùng các nhân viên.

Cơm. 407. Khai triển phản ứng phân hạch có giá trị trong hệ urani tự nhiên và chất điều hòa. Một neutron nhanh, bay ra khỏi một thanh mỏng, đập vào bộ điều hành và chậm lại. Một lần nữa trong uranium, neutron chậm lại có khả năng bị hấp thụ vào , gây ra sự phân hạch (ký hiệu: hai vòng tròn màu trắng). Một số nơtron bị hấp thụ tại mà không gây phân hạch (ký hiệu: vòng tròn đen)

Mục đích: hình thành cho học sinh hiểu biết về sự phân hạch của hạt nhân urani.

kiểm tra tài liệu đã nghiên cứu trước đó;
xem xét cơ chế phân hạch của hạt nhân uranium;
xem xét điều kiện để xảy ra phản ứng dây chuyền;
tìm ra các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình phản ứng dây chuyền;
phát triển lời nói và suy nghĩ của học sinh;
phát triển khả năng phân tích, kiểm soát và điều chỉnh hoạt động của bản thân trong thời gian nhất định.

Thiết bị: máy tính, hệ thống trình chiếu, tài liệu giáo khoa (bài kiểm tra “Thành phần cốt lõi”), đĩa “Khóa học tương tác. Vật lý 7-11kl” (Fizikon) và “1C-repeater. Vật lý” (1C).

tiến trình bài học

I. Thời điểm tổ chức (2').

Chào cờ, thông báo giáo án.

II. Lặp lại nội dung đã học trước đó (8’).

Công việc độc lập của học sinh - thực hiện một bài kiểm tra ( phụ lục 1 ). Trong bài kiểm tra, bạn phải chỉ ra một câu trả lời đúng.

III. Học tài liệu mới (25’). Ghi chép trong giờ học(ứng dụng 2 ).

Hãy kiểm tra các giả định của bạn (làm việc với mô hình tương tác “Phân hạch hạt nhân”“Khóa học tương tác. Vật lý 7-11kl” ).

Thế kết quả là gì?

- Khi một neutron va vào hạt nhân uranium, chúng ta thấy rằng kết quả là 2 mảnh và 2-3 neutron được hình thành.

Hiệu ứng tương tự đã thu được vào năm 1939 bởi các nhà khoa học người Đức Otto Hahn và Fritz Strassmann. Họ phát hiện ra rằng do sự tương tác của neutron với hạt nhân uranium, các hạt nhân mảnh phóng xạ xuất hiện, khối lượng và điện tích của chúng xấp xỉ một nửa các đặc điểm tương ứng của hạt nhân uranium. Sự phân hạch hạt nhân xảy ra theo cách này được gọi là sự phân hạch cưỡng bức, trái ngược với sự phân hạch tự phát, xảy ra trong quá trình biến đổi phóng xạ tự nhiên.

Hạt nhân đi vào trạng thái kích thích và bắt đầu biến dạng. Tại sao lõi chia thành 2 phần? Những lực nào gây ra sự phá vỡ?

Lực nào tác dụng bên trong hạt nhân?

– Tĩnh điện và hạt nhân.

Được rồi, vậy lực tĩnh điện tự biểu hiện như thế nào?

- Lực tĩnh điện tác dụng giữa các hạt mang điện. Hạt mang điện trong hạt nhân là proton. Vì proton tích điện dương nên giữa chúng có lực đẩy.

Đúng, nhưng làm thế nào để các lực lượng hạt nhân tự biểu hiện?

- Lực hạt nhân là lực hấp dẫn giữa tất cả các nuclon.

Vậy hạt nhân bị vỡ dưới tác dụng của những lực nào?

- (Có khó khăn gì tôi đặt câu hỏi dẫn dắt học sinh đi đến kết luận đúng) Dưới tác dụng của lực đẩy tĩnh điện, hạt nhân bị xé thành hai phần phân tán theo các hướng khác nhau và phát ra 2-3 nơtron.

– Các mảnh bị giảm tốc trong môi trường.

Để không vi phạm định luật bảo toàn cơ năng ta phải cho biết động năng sẽ xảy ra hiện tượng gì?

– Động năng của các mảnh được chuyển hóa thành nội năng của môi trường.

Có thể nhận thấy rằng năng lượng bên trong của phương tiện đã thay đổi?

Vâng, môi trường đang nóng lên.

Nhưng liệu sự thay đổi năng lượng bên trong có bị ảnh hưởng bởi yếu tố số lượng hạt nhân uranium khác nhau sẽ tham gia phản ứng phân hạch không?

- Tất nhiên, với sự phân hạch đồng thời của một số lượng lớn hạt nhân uranium, năng lượng bên trong của môi trường xung quanh uranium tăng lên.

- Phản ứng phân hạch hạt nhân urani tỏa năng lượng ra môi trường.

Năng lượng chứa trong hạt nhân nguyên tử là vô cùng lớn. Ví dụ, với sự phân hạch hoàn toàn của tất cả các hạt nhân có trong 1 g uranium, lượng năng lượng sẽ được giải phóng bằng với lượng năng lượng được giải phóng trong quá trình đốt cháy 2,5 tấn dầu. Đã tìm ra điều gì sẽ xảy ra với các mảnh vỡ Các neutron sẽ hoạt động như thế nào?

– (Tôi lắng nghe giả thiết của học sinh, kiểm tra giả thiết, làm việc với mô hình tương tác “Phản ứng dây chuyền”“Bộ lặp 1C. vật lý" ).

Đúng vậy, neutron trên đường đi của chúng có thể gặp hạt nhân uranium và gây ra phản ứng phân hạch. Phản ứng như vậy được gọi là phản ứng dây chuyền.

Vậy, điều kiện để xảy ra phản ứng dây chuyền là gì?

- Có thể xảy ra phản ứng dây chuyền do trong quá trình phân hạch của mỗi hạt nhân, 2-3 nơtron được hình thành có thể tham gia vào quá trình phân hạch của các hạt nhân khác.

Chúng ta thấy rằng tổng số neutron tự do trong một mảnh uranium tăng lên như tuyết lở theo thời gian. Điều này có thể dẫn đến điều gì?

- Đến vụ nổ.

- Số lần phân hạch hạt nhân tăng lên và theo đó là năng lượng tỏa ra trong một đơn vị thời gian.

- Nó sẽ dừng lại.

Năng lượng của những phản ứng như vậy có thể được sử dụng cho mục đích hòa bình?

Phản ứng nên tiến hành như thế nào?

Phản ứng phải tiến hành sao cho số nơtron không đổi theo thời gian.

Làm thế nào có thể đảm bảo rằng số lượng neutron luôn không đổi?

- (gợi ý của trẻ em)

Một trong những yếu tố này là khối lượng uran . Thực tế là không phải mọi neutron phát ra trong quá trình phân hạch hạt nhân đều gây ra sự phân hạch của các hạt nhân khác. Nếu khối lượng (và theo đó, kích thước) của một mảnh uranium quá nhỏ, thì nhiều neutron sẽ bay ra khỏi nó, không có thời gian để gặp hạt nhân trên đường đi của chúng, gây ra sự phân hạch và do đó tạo ra một thế hệ uranium mới. neutron cần thiết để tiếp tục phản ứng. Trong trường hợp này, phản ứng dây chuyền sẽ dừng lại. Để phản ứng tiếp tục xảy ra, cần tăng khối lượng của urani đến một giá trị xác định, gọi là phê bình.

Tại sao một phản ứng dây chuyền có thể xảy ra với sự gia tăng khối lượng?

– Khối lượng của mảnh càng lớn thì xác suất nơtron gặp hạt nhân càng lớn. Theo đó, số lượng phân hạch hạt nhân và số lượng neutron phát ra tăng lên.

Tại một khối lượng nhất định được gọi là khối lượng tới hạn của uranium, số lượng neutron xuất hiện trong quá trình phân hạch hạt nhân trở nên bằng với số lượng neutron bị mất (nghĩa là hạt nhân không bị phân hạch bắt giữ và bay ra khỏi mảnh).

Do đó, tổng số của họ vẫn không thay đổi. Trong trường hợp này, phản ứng dây chuyền có thể diễn ra trong một thời gian dài, không dừng lại và không có tính chất bùng nổ.

Khối lượng nhỏ nhất của uranium tại đó có thể xảy ra phản ứng dây chuyền được gọi là khối lượng tới hạn.

Phản ứng sẽ diễn ra như thế nào nếu khối lượng của urani lớn hơn khối lượng tới hạn?

– Do số lượng neutron tự do tăng mạnh, phản ứng dây chuyền dẫn đến vụ nổ.

Nếu nó ít quan trọng hơn thì sao?

Phản ứng không xảy ra do thiếu neutron tự do.

Có thể giảm sự mất mát neutron (bay ra khỏi uranium mà không phản ứng với hạt nhân) không chỉ bằng cách tăng khối lượng uranium mà còn bằng cách sử dụng một loại đặc biệt. vỏ phản quang . Để làm điều này, một mảnh uranium được đặt trong một lớp vỏ làm bằng chất phản xạ tốt neutron (ví dụ, berili). Phản xạ từ lớp vỏ này, neutron trở lại uranium và có thể tham gia phân hạch hạt nhân.

Ngoài khối lượng và sự hiện diện của lớp vỏ phản chiếu, còn có một số yếu tố khác phụ thuộc vào khả năng xảy ra phản ứng dây chuyền. Ví dụ, nếu một mảnh uranium chứa quá nhiều tạp chất các nguyên tố hóa học khác, chúng hấp thụ hầu hết các neutron và phản ứng dừng lại.

Một yếu tố khác ảnh hưởng đến quá trình phản ứng là khả dụng trong cái gọi là uranium điều hòa nơtron . Thực tế là các hạt nhân của uranium-235 rất có thể bị phân hạch dưới tác dụng của các neutron chậm. Phản ứng phân hạch hạt nhân tạo ra neutron nhanh. Nếu các neutron nhanh bị làm chậm lại, thì hầu hết chúng sẽ bị các hạt nhân uranium-235 bắt giữ với sự phân hạch tiếp theo của các hạt nhân này; các chất như than chì, lò sưởi, nước nặng và một số chất khác được sử dụng làm chất điều tiết. Những chất này chỉ làm chậm neutron, hầu như không hấp thụ chúng.

Vì vậy, các yếu tố chính có thể ảnh hưởng đến quá trình của một phản ứng dây chuyền là gì?

- Khả năng xảy ra phản ứng dây chuyền được xác định bởi khối lượng uranium, lượng tạp chất trong đó, sự có mặt của vỏ và chất điều tiết.

Khối lượng tới hạn của một mảnh uranium-235 hình cầu là khoảng 50 kg. Đồng thời, bán kính của nó chỉ là 9 cm, vì uranium có mật độ rất cao.

Bằng cách sử dụng chất điều tiết và lớp vỏ phản xạ, và bằng cách giảm lượng tạp chất, có thể giảm khối lượng tới hạn của uranium xuống 0,8 kg.

Phản ứng phân hạch hạt nhân là sự phân tách một nguyên tử nặng thành hai mảnh có khối lượng xấp xỉ bằng nhau, kèm theo sự giải phóng một lượng lớn năng lượng.

Việc phát hiện ra phản ứng phân hạch hạt nhân đã bắt đầu một kỷ nguyên mới - "thời đại nguyên tử". Tiềm năng của việc sử dụng nó và tỷ lệ rủi ro để hưởng lợi từ việc sử dụng nó không chỉ tạo ra nhiều thành tựu xã hội học, chính trị, kinh tế và khoa học, mà còn là những vấn đề nghiêm trọng. Ngay cả từ quan điểm khoa học thuần túy, quá trình phân hạch hạt nhân đã tạo ra một số lượng lớn các câu đố và sự phức tạp, và lời giải thích lý thuyết đầy đủ của nó là vấn đề của tương lai.

Chia sẻ có lãi

Năng lượng liên kết (trên mỗi nucleon) khác nhau đối với các hạt nhân khác nhau. Những cái nặng hơn có năng lượng liên kết thấp hơn những cái nằm ở giữa bảng tuần hoàn.

Điều này có nghĩa là đối với các hạt nhân nặng có số nguyên tử lớn hơn 100, sẽ có lợi khi phân chia thành hai mảnh nhỏ hơn, do đó giải phóng năng lượng, năng lượng này được chuyển thành động năng của các mảnh. Quá trình này được gọi là tách

Theo đường cong ổn định, cho thấy sự phụ thuộc của số lượng proton vào số lượng neutron đối với các hạt nhân ổn định, các hạt nhân nặng hơn thích nhiều neutron hơn (so với số lượng proton) hơn là các hạt nhân nhẹ hơn. Điều này cho thấy rằng cùng với quá trình phân tách, một số neutron "dự phòng" sẽ được phát ra. Ngoài ra, chúng cũng sẽ tiếp nhận một phần năng lượng được giải phóng. Nghiên cứu về sự phân hạch của nguyên tử uranium cho thấy 3-4 neutron được giải phóng: 238 U → 145 La + 90 Br + 3n.

Số nguyên tử (và khối lượng nguyên tử) của mảnh không bằng một nửa khối lượng nguyên tử của mẹ. Sự khác biệt giữa khối lượng của các nguyên tử được hình thành do sự phân tách thường là khoảng 50. Đúng vậy, lý do cho điều này vẫn chưa hoàn toàn rõ ràng.

Năng lượng liên kết của 238 U, 145 La và 90 Br lần lượt là 1803, 1198 và 763 MeV. Điều này có nghĩa là do kết quả của phản ứng này, năng lượng phân hạch của hạt nhân uranium được giải phóng, bằng 1198 + 763-1803 = 158 MeV.

phân chia tự phát

Các quá trình phân tách tự phát đã được biết đến trong tự nhiên, nhưng chúng rất hiếm. Thời gian tồn tại trung bình của quá trình này là khoảng 10 17 năm, và ví dụ, thời gian tồn tại trung bình của quá trình phân rã alpha của cùng một hạt nhân phóng xạ là khoảng 10 11 năm.

Lý do cho điều này là để tách thành hai phần, trước tiên hạt nhân phải được biến dạng (kéo dài) thành hình elip, sau đó, trước khi tách thành hai mảnh, tạo thành một “cổ” ở giữa.

Rào cản tiềm ẩn

Ở trạng thái biến dạng, hai lực tác dụng lên lõi. Một là năng lượng bề mặt tăng lên (sức căng bề mặt của một giọt chất lỏng giải thích hình dạng hình cầu của nó), và hai là lực đẩy Coulomb giữa các mảnh phân hạch. Họ cùng nhau tạo ra một rào cản tiềm năng.

Như trong trường hợp phân rã alpha, để xảy ra sự phân hạch tự phát của hạt nhân nguyên tử uranium, các mảnh vỡ phải vượt qua rào cản này bằng cách sử dụng đường hầm lượng tử. Rào cản là khoảng 6 MeV, như trong trường hợp phân rã alpha, nhưng xác suất tạo đường hầm cho một hạt alpha lớn hơn nhiều so với khả năng của một sản phẩm phân hạch nguyên tử nặng hơn nhiều.

buộc phải chia tách

Nhiều khả năng là sự phân hạch cảm ứng của hạt nhân uranium. Trong trường hợp này, hạt nhân mẹ được chiếu xạ bằng neutron. Nếu cha mẹ hấp thụ nó, chúng sẽ liên kết, giải phóng năng lượng liên kết ở dạng năng lượng rung động có thể vượt quá 6 MeV cần thiết để vượt qua rào cản tiềm năng.

Khi năng lượng của neutron bổ sung không đủ để vượt qua hàng rào thế năng, neutron tới phải có động năng tối thiểu để có thể gây ra sự phân tách nguyên tử. Trong trường hợp 238 U, năng lượng liên kết của các neutron bổ sung thiếu khoảng 1 MeV. Điều này có nghĩa là sự phân hạch của hạt nhân uranium chỉ được gây ra bởi một neutron có động năng lớn hơn 1 MeV. Mặt khác, đồng vị 235 U có một neutron chưa ghép cặp. Khi hạt nhân hấp thụ một hạt nhân bổ sung, nó sẽ tạo thành một cặp với nó và do kết quả của sự ghép đôi này, năng lượng liên kết bổ sung xuất hiện. Điều này đủ để giải phóng lượng năng lượng cần thiết để hạt nhân vượt qua rào thế và sự phân hạch đồng vị xảy ra khi va chạm với bất kỳ neutron nào.

phân rã beta

Mặc dù phản ứng phân hạch phát ra ba hoặc bốn neutron, nhưng các mảnh vỡ vẫn chứa nhiều neutron hơn so với các đồng vị ổn định của chúng. Điều này có nghĩa là các mảnh phân tách nói chung không ổn định trước sự phân rã beta.

Ví dụ, khi uranium 238 U bị phân hạch, đồng vị bền với A = 145 là neodymium 145 Nd, có nghĩa là mảnh lantan 145 La phân rã theo ba bước, mỗi lần phát ra một electron và một phản neutrino, cho đến khi một hạt nhân ổn định được hình thành . Đồng vị ổn định với A = 90 là zirconium 90 Zr; do đó, đoạn tách brom 90 Br bị phân hủy trong năm giai đoạn của chuỗi phân rã β.

Các chuỗi phân rã β này giải phóng năng lượng bổ sung, năng lượng này hầu như được mang đi bởi các electron và phản neutrino.

Phản ứng hạt nhân: phân hạch hạt nhân uranium

Phát xạ trực tiếp neutron từ một hạt nhân có quá nhiều hạt nhân để đảm bảo sự ổn định của hạt nhân là điều khó xảy ra. Vấn đề ở đây là không có lực đẩy Coulomb, và do đó năng lượng bề mặt có xu hướng giữ neutron liên kết với hạt mẹ. Tuy nhiên, điều này đôi khi xảy ra. Ví dụ, một mảnh phân hạch 90 Br trong giai đoạn phân rã beta đầu tiên tạo ra krypton-90, có thể ở trạng thái kích thích với đủ năng lượng để vượt qua năng lượng bề mặt. Trong trường hợp này, sự phát xạ neutron có thể xảy ra trực tiếp với sự hình thành krypton-89. vẫn không ổn định đối với phân rã β cho đến khi được chuyển đổi thành yttri-89 ổn định, do đó krypton-89 phân rã theo ba bước.

Sự phân hạch của hạt nhân uranium: một phản ứng dây chuyền

Các neutron phát ra trong phản ứng phân hạch có thể được hấp thụ bởi một hạt nhân mẹ khác, sau đó hạt nhân này tự trải qua quá trình phân hạch cảm ứng. Trong trường hợp uranium-238, ba neutron được tạo ra có năng lượng nhỏ hơn 1 MeV (năng lượng giải phóng trong quá trình phân hạch hạt nhân uranium - 158 MeV - chủ yếu được chuyển thành động năng của các mảnh phân hạch), vì vậy chúng không thể gây ra sự phân hạch tiếp theo của hạt nhân này. Tuy nhiên, ở nồng độ đáng kể của đồng vị hiếm 235 U, các neutron tự do này có thể bị hạt nhân 235 U bắt giữ, hạt nhân này thực sự có thể gây ra sự phân hạch, vì trong trường hợp này không có ngưỡng năng lượng nào dưới mức mà sự phân hạch không xảy ra.

Đây là nguyên tắc của một phản ứng dây chuyền.

Các loại phản ứng hạt nhân

Gọi k là số neutron sinh ra trong một mẫu vật liệu phân hạch ở giai đoạn n của chuỗi này, chia cho số neutron sinh ra ở giai đoạn n - 1. Con số này sẽ phụ thuộc vào số lượng neutron sinh ra ở giai đoạn n - 1 được hấp thụ bởi hạt nhân, có thể buộc phải phân chia.

nếu 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.

Nếu k > 1 thì phản ứng dây chuyền sẽ phát triển cho đến khi sử dụng hết vật liệu phân hạch, đạt được bằng cách làm giàu quặng tự nhiên để thu được nồng độ urani-235 đủ lớn. Đối với một mẫu hình cầu, giá trị của k tăng cùng với sự gia tăng xác suất hấp thụ neutron, điều này phụ thuộc vào bán kính của quả cầu. Do đó, khối lượng U phải vượt quá một lượng nhất định để xảy ra phản ứng phân hạch hạt nhân uranium (phản ứng dây chuyền).

Nếu k = 1 thì xảy ra phản ứng có kiểm soát. Điều này được sử dụng trong các lò phản ứng hạt nhân. Quá trình này được kiểm soát bằng cách phân phối các thanh cadmium hoặc boron giữa uranium, chúng hấp thụ hầu hết các neutron (các nguyên tố này có khả năng bắt giữ neutron). Sự phân hạch của hạt nhân uranium được điều khiển tự động bằng cách di chuyển các thanh sao cho giá trị của k vẫn bằng một.

Lớp học

Bài #42-43

Phản ứng dây chuyền phân hạch hạt nhân urani. Năng lượng hạt nhân và sinh thái học. phóng xạ. Nửa cuộc đời.

phản ứng hạt nhân

Phản ứng hạt nhân là quá trình tương tác của một hạt nhân nguyên tử với một hạt nhân hoặc hạt cơ bản khác, kèm theo sự thay đổi thành phần và cấu trúc của hạt nhân và giải phóng các hạt thứ cấp hoặc lượng tử γ.

Do phản ứng hạt nhân, các đồng vị phóng xạ mới có thể được hình thành mà không tìm thấy trên Trái đất trong điều kiện tự nhiên.

Phản ứng hạt nhân đầu tiên do E. Rutherford thực hiện năm 1919 trong thí nghiệm phát hiện proton trong sản phẩm phân rã hạt nhân (xem § 9.5). Rutherford bắn phá các nguyên tử nitơ bằng các hạt alpha. Khi các hạt va chạm, một phản ứng hạt nhân đã xảy ra, diễn ra theo sơ đồ sau:

Trong phản ứng hạt nhân, một số định luật bảo toàn: động lượng, năng lượng, động lượng góc, điện tích. Ngoài các định luật bảo toàn cổ điển này, cái gọi là định luật bảo toàn đúng trong các phản ứng hạt nhân. phí baryon(nghĩa là số nucleon - proton và neutron). Một số định luật bảo toàn khác đặc trưng cho vật lý hạt nhân và vật lý hạt cơ bản cũng đúng.

Phản ứng hạt nhân có thể xảy ra khi nguyên tử bị bắn phá bởi các hạt tích điện nhanh (proton, neutron, hạt α, ion). Phản ứng đầu tiên thuộc loại này được thực hiện bằng cách sử dụng các proton năng lượng cao thu được ở máy gia tốc vào năm 1932:

trong đó M A và M B là khối lượng của các sản phẩm ban đầu, M C và M D là khối lượng của các sản phẩm cuối cùng của phản ứng. Giá trị ∆M được gọi là Khiếm khuyết khối lượng. Phản ứng hạt nhân có thể xảy ra với sự giải phóng (Q > 0) hoặc với sự hấp thụ năng lượng (Q< 0). Во втором случае первоначальная кинетическая энергия исходных продуктов должна превышать величину |Q|, которая называется порогом реакции.

Để phản ứng hạt nhân thu được năng lượng dương, năng lượng liên kết cụ thể nucleon trong hạt nhân của sản phẩm ban đầu phải nhỏ hơn năng lượng liên kết riêng của nucleon trong hạt nhân của sản phẩm cuối cùng. Điều này có nghĩa là ΔM phải dương.

Có hai cách cơ bản khác nhau để giải phóng năng lượng hạt nhân.

1. Sự phân hạch của hạt nhân nặng. Không giống như sự phân rã phóng xạ của các hạt nhân, kèm theo sự phát xạ của các hạt α- hoặc β, phản ứng phân hạch là một quá trình trong đó một hạt nhân không ổn định được chia thành hai mảnh lớn có khối lượng tương đương.

Năm 1939, các nhà khoa học người Đức O. Hahn và F. Strassmann đã phát hiện ra sự phân hạch của hạt nhân uranium. Tiếp tục nghiên cứu do Fermi bắt đầu, họ phát hiện ra rằng khi uranium bị bắn phá bằng neutron, các nguyên tố ở phần giữa của hệ tuần hoàn phát sinh - đồng vị phóng xạ của bari (Z = 56), krypton (Z = 36), v.v.

Uranium xảy ra trong tự nhiên ở dạng hai đồng vị: (99,3%) và (0,7%). Khi bị neutron bắn phá, hạt nhân của cả hai đồng vị có thể tách thành hai mảnh. Trong trường hợp này, phản ứng phân hạch diễn ra mạnh mẽ nhất với neutron chậm (nhiệt), trong khi hạt nhân tham gia phản ứng phân hạch chỉ với neutron nhanh có năng lượng cỡ 1 MeV.

Hiện tại, khoảng 100 đồng vị khác nhau với số khối từ khoảng 90 đến 145 được biết là được tạo ra bởi sự phân hạch của hạt nhân này. Hai phản ứng phân hạch điển hình của hạt nhân này có dạng:

Lưu ý rằng do phản ứng phân hạch hạt nhân do neutron khởi xướng, các neutron mới được tạo ra có thể gây ra phản ứng phân hạch trong các hạt nhân khác. Các sản phẩm phân hạch của hạt nhân uranium-235 cũng có thể là các đồng vị khác của bari, xenon, stronti, rubidi, v.v.

Động năng giải phóng trong quá trình phân hạch của một hạt nhân uranium là rất lớn - khoảng 200 MeV. Năng lượng được giải phóng trong quá trình phân hạch hạt nhân có thể được ước tính bằng cách sử dụng năng lượng liên kết cụ thể nucleon trong hạt nhân. Năng lượng liên kết riêng của các nucleon trong hạt nhân có số khối A ≈ 240 là khoảng 7,6 MeV/nucleon, còn trong hạt nhân có số khối A = 90–145 thì năng lượng riêng xấp xỉ bằng 8,5 MeV/nucleon. Do đó, sự phân hạch của một hạt nhân uranium giải phóng một năng lượng ở mức 0,9 MeV/nucleon, hay xấp xỉ 210 MeV trên mỗi nguyên tử uranium. Với sự phân hạch hoàn toàn của tất cả các hạt nhân chứa trong 1 g uranium, năng lượng được giải phóng tương đương với quá trình đốt cháy 3 tấn than hoặc 2,5 tấn dầu.

Các sản phẩm phân hạch của hạt nhân uranium không ổn định, vì chúng chứa một lượng neutron dư thừa đáng kể. Thật vậy, tỷ lệ N/Z đối với các hạt nhân nặng nhất là khoảng 1,6 (Hình 9.6.2), đối với các hạt nhân có số khối từ 90 đến 145, tỷ lệ này là khoảng 1,3–1,4. Do đó, các hạt nhân mảnh trải qua một loạt các phân rã β - liên tiếp, do đó số lượng proton trong hạt nhân tăng lên và số lượng neutron giảm xuống cho đến khi hình thành hạt nhân ổn định.

Hình 9.8.1. Sơ đồ phát triển của một phản ứng dây chuyền.

Để một phản ứng dây chuyền xảy ra, điều cần thiết là cái gọi là hệ số nhân neutron lớn hơn một. Nói cách khác, nên có nhiều neutron hơn trong mỗi thế hệ tiếp theo so với thế hệ trước. Hệ số nhân được xác định không chỉ bởi số lượng neutron được tạo ra trong mỗi sự kiện cơ bản, mà còn bởi các điều kiện mà phản ứng diễn ra - một số neutron có thể được hấp thụ bởi các hạt nhân khác hoặc rời khỏi vùng phản ứng. Các neutron được giải phóng trong quá trình phân hạch hạt nhân uranium-235 chỉ có thể gây ra sự phân hạch của các hạt nhân của cùng một loại uranium, chỉ chiếm 0,7% uranium tự nhiên. Nồng độ này không đủ để bắt đầu một phản ứng dây chuyền. Một đồng vị cũng có thể hấp thụ neutron, nhưng không xảy ra phản ứng dây chuyền.

Phản ứng dây chuyền trong uranium có hàm lượng uranium-235 cao chỉ có thể phát triển khi khối lượng uranium vượt quá cái gọi là khối lượng tới hạn. Trong các mảnh uranium nhỏ, hầu hết các neutron bay ra ngoài mà không va vào hạt nhân nào. Đối với uranium-235 tinh khiết, khối lượng tới hạn là khoảng 50 kg. Khối lượng tới hạn của uranium có thể giảm nhiều lần bằng cách sử dụng cái gọi là người điều hành nơtron. Thực tế là các neutron được tạo ra trong quá trình phân rã hạt nhân uranium có tốc độ quá cao và xác suất bắt được neutron chậm của hạt nhân uranium-235 lớn hơn hàng trăm lần so với hạt nhân nhanh. Bộ điều tiết neutron tốt nhất là nước nặng D 2 O. Khi tương tác với nơtron, nước thường tự biến thành nước nặng.

Một chất điều hành tốt cũng là than chì, hạt nhân của nó không hấp thụ neutron. Khi tương tác đàn hồi với hạt nhân deuterium hoặc carbon, neutron bị chậm lại thành vận tốc nhiệt.

Việc sử dụng bộ điều tiết neutron và vỏ berili đặc biệt phản xạ neutron giúp giảm khối lượng tới hạn xuống 250 g.

Trong bom nguyên tử, phản ứng dây chuyền hạt nhân không kiểm soát xảy ra khi hai mảnh uranium-235, mỗi mảnh có khối lượng thấp hơn một chút so với khối lượng tới hạn, nhanh chóng kết hợp với nhau.

Một thiết bị duy trì phản ứng phân hạch hạt nhân có kiểm soát được gọi là hạt nhân(hoặc nguyên tử) lò phản ứng. Sơ đồ lò phản ứng hạt nhân trên neutron chậm được thể hiện trong hình. 9.8.2.

Hình 9.8.2. Sơ đồ thiết bị của lò phản ứng hạt nhân.

Phản ứng hạt nhân diễn ra trong lõi lò phản ứng chứa đầy chất điều hòa và được xuyên qua các thanh chứa hỗn hợp các đồng vị uranium được làm giàu với hàm lượng uranium-235 cao (lên tới 3%). Các thanh điều khiển có chứa cadmium hoặc boron được đưa vào lõi, giúp hấp thụ mạnh neutron. Việc đưa các thanh vào lõi cho phép bạn kiểm soát tốc độ của phản ứng dây chuyền.

Lõi được làm mát bằng chất làm mát được bơm, có thể là nước hoặc kim loại có điểm nóng chảy thấp (ví dụ: natri, có điểm nóng chảy là 98 °C). Trong máy tạo hơi nước, môi trường truyền nhiệt truyền năng lượng nhiệt cho nước, chuyển đổi nó thành hơi nước áp suất cao. Hơi nước được gửi đến một tuabin kết nối với máy phát điện. Từ tuabin, hơi nước đi vào thiết bị ngưng tụ. Để tránh rò rỉ bức xạ, các mạch của chất làm mát I và bộ sinh hơi II hoạt động theo chu kỳ kín.

Tua bin của nhà máy điện hạt nhân là một động cơ nhiệt quyết định hiệu suất chung của nhà máy theo định luật thứ hai của nhiệt động lực học. Ở các nhà máy điện hạt nhân hiện đại, hiệu suất xấp xỉ bằng nhau, do đó để sản xuất ra 1000 MW điện năng thì nhiệt năng của lò phản ứng phải đạt 3000 MW. 2000 MW phải được mang đi bằng nước làm mát bình ngưng. Điều này dẫn đến tình trạng quá nóng cục bộ của các vùng nước tự nhiên và sau đó là sự xuất hiện của các vấn đề môi trường.

Tuy nhiên, vấn đề chính là đảm bảo an toàn bức xạ hoàn toàn cho những người làm việc tại các nhà máy điện hạt nhân và ngăn chặn việc vô tình giải phóng các chất phóng xạ tích tụ với số lượng lớn trong lõi lò phản ứng. Người ta chú ý nhiều đến vấn đề này trong quá trình phát triển các lò phản ứng hạt nhân. Tuy nhiên, sau sự cố tại một số nhà máy điện hạt nhân, đặc biệt là tại nhà máy điện hạt nhân ở Pennsylvania (Mỹ, năm 1979) và tại nhà máy điện hạt nhân Chernobyl (1986), vấn đề an toàn năng lượng hạt nhân trở nên đặc biệt gay gắt.

Cùng với lò phản ứng hạt nhân hoạt động bằng neutron chậm được mô tả ở trên, các lò phản ứng hoạt động không có chất điều tiết bằng neutron nhanh rất được quan tâm trong thực tế. Trong các lò phản ứng như vậy, nhiên liệu hạt nhân là hỗn hợp được làm giàu chứa ít nhất 15% đồng vị.Ưu điểm của lò phản ứng neutron nhanh là trong quá trình hoạt động, các hạt nhân uranium-238, hấp thụ neutron, qua hai lần phân rã β - liên tiếp được chuyển thành plutonium hạt nhân, sau đó có thể được sử dụng làm nhiên liệu hạt nhân:

Tỷ lệ sinh sản của các lò phản ứng như vậy đạt 1,5, nghĩa là đối với 1 kg uranium-235, thu được tới 1,5 kg plutonium. Các lò phản ứng thông thường cũng tạo ra plutonium, nhưng với số lượng nhỏ hơn nhiều.

Lò phản ứng hạt nhân đầu tiên được xây dựng vào năm 1942 tại Hoa Kỳ dưới sự lãnh đạo của E. Fermi. Ở nước ta, lò phản ứng đầu tiên được xây dựng vào năm 1946 dưới sự lãnh đạo của IV Kurchatov.

2. phản ứng nhiệt hạch. Cách giải phóng năng lượng hạt nhân thứ hai gắn liền với phản ứng nhiệt hạch. Trong quá trình tổng hợp hạt nhân nhẹ và hình thành hạt nhân mới, một lượng lớn năng lượng sẽ được giải phóng. Có thể thấy điều này từ sự phụ thuộc của năng lượng liên kết riêng vào số khối A (Hình 9.6.1). Cho đến hạt nhân có số khối khoảng 60, năng lượng liên kết riêng của các nuclon tăng khi tăng A. Do đó, sự tổng hợp của bất kỳ hạt nhân nào với A< 60 из более легких ядер должен сопровождаться выделением энергии. Общая масса продуктов реакции синтеза будет в этом случае меньше массы первоначальных частиц.

Phản ứng tổng hợp của các hạt nhân nhẹ được gọi là phản ứng nhiệt hạch, vì chúng chỉ có thể chảy ở nhiệt độ rất cao. Để hai hạt nhân tham gia vào phản ứng nhiệt hạch, chúng phải tiếp cận ở khoảng cách tác dụng của lực hạt nhân cỡ 2·10 -15 m, vượt qua lực đẩy điện của các điện tích dương của chúng. Muốn vậy, động năng trung bình của chuyển động nhiệt của các phân tử phải vượt quá thế năng của tương tác Coulomb. Việc tính toán nhiệt độ T cần thiết cho điều này dẫn đến giá trị theo thứ tự 10 8 –10 9 K. Đây là nhiệt độ cực kỳ cao. Ở nhiệt độ này, chất ở trạng thái ion hóa hoàn toàn, được gọi là huyết tương.

Năng lượng giải phóng trong các phản ứng nhiệt hạch trên mỗi nucleon cao hơn nhiều lần so với năng lượng riêng giải phóng trong các phản ứng dây chuyền của phân hạch hạt nhân. Vì vậy, ví dụ, trong phản ứng tổng hợp hạt nhân deuterium và triti

3,5 MeV/nucleon được giải phóng. Tổng cộng, 17,6 MeV được giải phóng trong phản ứng này. Đây là một trong những phản ứng nhiệt hạch hứa hẹn nhất.

Thực hiện phản ứng nhiệt hạch có kiểm soát sẽ mang đến cho nhân loại một nguồn năng lượng mới thân thiện với môi trường và gần như vô tận. Tuy nhiên, thu được nhiệt độ cực cao và hạn chế plasma nóng đến một tỷ độ là nhiệm vụ khoa học và kỹ thuật khó khăn nhất trên con đường thực hiện phản ứng tổng hợp nhiệt hạch có kiểm soát.

Ở giai đoạn này trong sự phát triển của khoa học và công nghệ, chỉ phản ứng tổng hợp không kiểm soát trong một quả bom khinh khí. Nhiệt độ cao cần thiết cho phản ứng tổng hợp hạt nhân đạt được ở đây bằng cách cho nổ một quả bom uranium hoặc plutonium thông thường.

Phản ứng nhiệt hạch đóng vai trò vô cùng quan trọng trong quá trình tiến hóa của vũ trụ. Năng lượng bức xạ của Mặt trời và các ngôi sao có nguồn gốc nhiệt hạch.

phóng xạ

Gần 90% trong số 2500 hạt nhân nguyên tử đã biết là không ổn định. Một hạt nhân không ổn định tự biến đổi thành các hạt nhân khác với sự phát xạ của các hạt. Tính chất này của hạt nhân được gọi là phóng xạ. Đối với các hạt nhân lớn, sự mất ổn định phát sinh do sự cạnh tranh giữa lực hút của các hạt nhân bởi lực hạt nhân và lực đẩy Coulomb của các proton. Không có hạt nhân ổn định nào có số điện tích Z > 83 và số khối A > 209. Nhưng các hạt nhân nguyên tử có số Z và A thấp hơn đáng kể cũng có thể trở thành chất phóng xạ. gây ra bởi sự dư thừa năng lượng tương tác Coulomb. Các hạt nhân, chứa một lượng lớn neutron vượt quá số lượng proton, không ổn định do khối lượng của neutron vượt quá khối lượng của proton. Sự gia tăng khối lượng của hạt nhân dẫn đến sự gia tăng năng lượng của nó.

Hiện tượng phóng xạ được phát hiện vào năm 1896 bởi nhà vật lý người Pháp A. Becquerel, người đã phát hiện ra rằng muối uranium phát ra bức xạ chưa biết có thể xuyên qua các rào cản mờ đục đối với ánh sáng và gây ra hiện tượng nhũ tương ảnh bị đen. Hai năm sau, các nhà vật lý người Pháp M. và P. Curie đã phát hiện ra tính phóng xạ của thorium và phát hiện ra hai nguyên tố phóng xạ mới - polonium và radium

Trong những năm tiếp theo, nhiều nhà vật lý, trong đó có E. Rutherford và các sinh viên của ông, đã tham gia nghiên cứu bản chất của bức xạ phóng xạ. Người ta phát hiện ra rằng các hạt nhân phóng xạ có thể phát ra ba loại hạt: tích điện dương, tích điện âm và trung tính. Ba loại bức xạ này được gọi là bức xạ α-, β- và γ. Trên hình. 9.7.1 trình bày sơ đồ thí nghiệm giúp phát hiện thành phần phức tạp của bức xạ phóng xạ. Trong từ trường, tia α và tia β lệch nhau, tia β lệch nhiều hơn. Tia γ trong từ trường không bị lệch chút nào.

Ba loại bức xạ phóng xạ này khác nhau rất nhiều về khả năng ion hóa các nguyên tử của vật chất và do đó, về khả năng xuyên thấu của chúng. bức xạ α có khả năng đâm xuyên kém nhất. Trong không khí, ở điều kiện bình thường, tia α đi được quãng đường vài cm. tia β bị vật chất hấp thụ ít hơn nhiều. Chúng có thể xuyên qua một lớp nhôm dày vài milimét. Tia γ có khả năng đâm xuyên cao nhất, có thể xuyên qua lớp chì dày 5–10 cm.

Vào thập kỷ thứ hai của thế kỷ 20, sau khi E. Rutherford phát hiện ra cấu trúc hạt nhân của các nguyên tử, người ta đã khẳng định chắc chắn rằng phóng xạ là tính chất của hạt nhân nguyên tử. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng tia α đại diện cho dòng hạt α - hạt nhân heli, tia β là dòng electron, tia γ là bức xạ điện từ sóng ngắn có bước sóng cực ngắn λ< 10 –10 м и вследствие этого – ярко выраженными корпускулярными свойствами, то есть является потоком частиц – γ-квантов.

phân rã alpha. Phân rã alpha là sự biến đổi tự phát của hạt nhân nguyên tử có số proton Z và số nơtron N thành một hạt nhân (con) khác chứa số proton Z - 2 và số nơtron N - 2. Trong trường hợp này, một hạt α được phát ra - hạt nhân của nguyên tử heli. Một ví dụ về quá trình như vậy là phân rã α của radium:

Các hạt alpha phát ra từ hạt nhân của nguyên tử radium đã được Rutherford sử dụng trong các thí nghiệm về tán xạ bởi hạt nhân của các nguyên tố nặng. Tốc độ của các hạt α phát ra trong quá trình phân rã α của hạt nhân radium, được đo dọc theo độ cong của quỹ đạo trong từ trường, xấp xỉ bằng 1,5 10 7 m/s và động năng tương ứng là khoảng 7,5 10 -13 J (xấp xỉ 4,8 MeV). Giá trị này có thể được xác định dễ dàng từ các giá trị khối lượng đã biết của hạt nhân mẹ và hạt nhân con và hạt nhân heli. Mặc dù tốc độ của hạt α bị đẩy ra là rất lớn, nhưng nó vẫn chỉ bằng 5% tốc độ ánh sáng, vì vậy phép tính có thể sử dụng một biểu thức phi tương đối tính cho động năng.

Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng một chất phóng xạ có thể phát ra các hạt α với một số giá trị năng lượng riêng biệt. Điều này được giải thích là do hạt nhân có thể giống như nguyên tử ở các trạng thái kích thích khác nhau. Một hạt nhân con có thể ở một trong những trạng thái kích thích này trong quá trình phân rã α. Trong quá trình chuyển đổi tiếp theo của hạt nhân này sang trạng thái cơ bản, một lượng tử γ được phát ra. Sơ đồ phân rã α của radium với sự phát xạ của các hạt α có hai giá trị động năng được thể hiện trong hình. 9.7.2.

Do đó, sự phân rã α của hạt nhân trong nhiều trường hợp đi kèm với bức xạ γ.

Trong lý thuyết về phân rã α, người ta cho rằng các nhóm gồm hai proton và hai neutron, tức là một hạt α, có thể hình thành bên trong hạt nhân. Hạt nhân mẹ là hạt α lỗ tiềm năng, bị giới hạn rào cản tiềm ẩn. Năng lượng của hạt α trong hạt nhân không đủ để vượt qua rào cản này (Hình 9.7.3). Sự phóng một hạt α ra khỏi hạt nhân chỉ có thể xảy ra do một hiện tượng cơ học lượng tử gọi là hiệu ứng đường hầm. Theo cơ học lượng tử, có một xác suất khác không để một hạt đi qua hàng rào thế năng. Hiện tượng đào hầm có tính chất xác suất.

Phân rã beta. Trong phân rã beta, một electron được phát ra từ hạt nhân. Bên trong hạt nhân, các electron không thể tồn tại (xem § 9.5), chúng phát sinh trong quá trình phân rã β do sự biến đổi neutron thành proton. Quá trình này có thể xảy ra không chỉ bên trong hạt nhân mà còn với các neutron tự do. Thời gian tồn tại trung bình của neutron tự do là khoảng 15 phút. Khi neutron phân rã thành proton và electron

Các phép đo cho thấy rằng trong quá trình này rõ ràng có sự vi phạm định luật bảo toàn năng lượng, vì tổng năng lượng của proton và electron phát sinh từ sự phân rã của neutron nhỏ hơn năng lượng của neutron. Năm 1931, W. Pauli đề xuất rằng trong quá trình phân rã của neutron, một hạt khác có khối lượng và điện tích bằng không được giải phóng, hạt này sẽ lấy đi một phần năng lượng cùng với nó. Hạt mới được đặt tên nơtrino(nơtron nhỏ). Do neutrino không có điện tích và khối lượng nên hạt này tương tác rất yếu với các nguyên tử của vật chất nên cực kỳ khó phát hiện ra nó trong thí nghiệm. Khả năng ion hóa của neutrino nhỏ đến mức một hành động ion hóa trong không khí rơi vào quãng đường xấp xỉ 500 km. Hạt này chỉ được phát hiện vào năm 1953. Hiện tại, người ta biết rằng có một số loại neutrino. Trong quá trình phân rã neutron, một hạt được tạo ra, được gọi là phản neutrino điện tử. Nó được biểu thị bằng ký hiệu Do đó, phản ứng phân rã neutron được viết là

Một quá trình tương tự cũng xảy ra bên trong hạt nhân trong quá trình phân rã β. Một electron được hình thành do sự phân rã của một trong các neutron hạt nhân ngay lập tức bị đẩy ra khỏi “ngôi nhà mẹ” (hạt nhân) với tốc độ cực lớn, có thể khác với tốc độ ánh sáng chỉ một phần trăm. Vì sự phân bố năng lượng giải phóng trong quá trình phân rã β giữa một electron, neutrino và hạt nhân con là ngẫu nhiên, nên các electron β có thể có vận tốc khác nhau trong một phạm vi rộng.

Trong quá trình phân rã β, số điện tích Z tăng thêm một, trong khi số khối A không đổi. Hạt nhân con gái hóa ra là hạt nhân của một trong các đồng vị của nguyên tố có số thứ tự trong bảng tuần hoàn cao hơn một số so với số thứ tự của hạt nhân ban đầu. Một ví dụ điển hình của phân rã β là sự biến đổi đồng vị thori phát sinh từ phân rã α của urani thành palladi

Gamma phân rã. Không giống như phóng xạ α- và β, phóng xạ γ của hạt nhân không liên quan đến sự thay đổi cấu trúc bên trong của hạt nhân và không kèm theo sự thay đổi điện tích hoặc số khối. Trong cả phân rã α và β, hạt nhân con có thể ở trạng thái kích thích nào đó và có năng lượng dư thừa. Sự chuyển đổi của hạt nhân từ trạng thái kích thích sang trạng thái cơ bản đi kèm với sự phát xạ của một hoặc một số lượng tử γ, năng lượng của nó có thể đạt tới vài MeV.

Định luật phân rã phóng xạ. Bất kỳ mẫu chất phóng xạ nào cũng chứa một số lượng lớn các nguyên tử phóng xạ. Vì quá trình phân rã phóng xạ diễn ra ngẫu nhiên và không phụ thuộc vào các điều kiện bên ngoài nên quy luật giảm số lượng N(t) hạt nhân không bị phân rã trong một khoảng thời gian t cho trước có thể đóng vai trò là một đặc trưng thống kê quan trọng của quá trình phân rã phóng xạ.

Cho số hạt nhân chưa phân rã N(t) thay đổi một lượng ΔN trong khoảng thời gian ngắn Δt< 0. Так как вероятность распада каждого ядра неизменна во времени, что число распадов будет пропорционально количеству ядер N(t) и промежутку времени Δt:

Hệ số tỉ lệ λ là xác suất phân rã của hạt nhân trong thời gian Δt = 1 s. Công thức này có nghĩa là tốc độ thay đổi của hàm N(t) tỷ lệ thuận với chính hàm đó.

trong đó N 0 là số hạt nhân phóng xạ ban đầu lúc t = 0. Trong khoảng thời gian τ = 1/λ, số hạt nhân chưa phân rã giảm e ≈ 2,7 lần. Giá trị τ được gọi là thời gian sống trung bình hạt nhân phóng xạ.

Để sử dụng thực tế, thật thuận tiện khi viết định luật phân rã phóng xạ ở dạng khác, sử dụng số 2 làm cơ sở chứ không phải e:

Giá trị của T được gọi là chu kỳ bán rã. Trong thời gian T, một nửa số hạt nhân phóng xạ ban đầu bị phân rã. Các giá trị của T và τ liên hệ với nhau bởi quan hệ

Chu kỳ bán rã là đại lượng chính đặc trưng cho tốc độ phân rã của chất phóng xạ. Thời gian bán hủy càng ngắn, sự phân rã càng dữ dội. Do đó, đối với uranium T ≈ 4,5 tỷ năm và đối với radium T ≈ 1600 năm. Do đó, hoạt tính của radium cao hơn nhiều so với uranium. Có những nguyên tố phóng xạ có chu kỳ bán rã bằng một phần giây.

Không tìm thấy trong điều kiện tự nhiên, và kết thúc bằng bitmut Chuỗi phân rã phóng xạ này xảy ra ở lò phản ứng hạt nhân.

Một ứng dụng thú vị của phóng xạ là phương pháp xác định niên đại của các phát hiện khảo cổ và địa chất bằng nồng độ của các đồng vị phóng xạ. Phương pháp được sử dụng phổ biến nhất là xác định niên đại bằng carbon phóng xạ. Một đồng vị carbon không ổn định xuất hiện trong khí quyển do phản ứng hạt nhân gây ra bởi các tia vũ trụ. Một tỷ lệ nhỏ của đồng vị này được tìm thấy trong không khí cùng với đồng vị ổn định thông thường.Thực vật và các sinh vật khác tiêu thụ carbon từ không khí và tích lũy cả hai đồng vị theo tỷ lệ giống như trong không khí. Sau khi thực vật chết, chúng ngừng tiêu thụ carbon và do quá trình phân rã β, đồng vị không ổn định dần biến thành nitơ với chu kỳ bán rã 5730 năm. Bằng cách đo chính xác nồng độ tương đối của carbon phóng xạ trong phần còn lại của các sinh vật cổ đại, có thể xác định thời điểm chết của chúng.

Bức xạ phóng xạ các loại (alpha, beta, gamma, neutron), cũng như bức xạ điện từ (bức xạ tia X) có tác dụng sinh học rất mạnh đối với các sinh vật sống, bao gồm các quá trình kích thích và ion hóa các nguyên tử và phân tử. tạo nên tế bào sống. Dưới tác động của bức xạ ion hóa, các phân tử phức tạp và cấu trúc tế bào bị phá hủy, dẫn đến tổn thương bức xạ cho cơ thể. Do đó, khi làm việc với bất kỳ nguồn bức xạ nào, cần thực hiện mọi biện pháp bảo vệ bức xạ cho những người có thể rơi vào vùng bức xạ.

Tuy nhiên, một người có thể tiếp xúc với bức xạ ion hóa trong điều kiện trong nước. Radon, một loại khí trơ, không màu, phóng xạ, có thể gây nguy hiểm nghiêm trọng cho sức khỏe con người. 9.7.5, radon là sản phẩm của quá trình phân rã α của radium và có chu kỳ bán rã T = 3,82 ngày. Radium được tìm thấy với số lượng nhỏ trong đất, đá và trong các cấu trúc xây dựng khác nhau. Mặc dù thời gian tồn tại tương đối ngắn, nồng độ của radon liên tục được bổ sung do các phân rã mới của hạt nhân radium, vì vậy radon có thể tích tụ trong không gian kín. Đi vào phổi, radon phát ra các hạt α và biến thành polonium, đây không phải là chất trơ về mặt hóa học. Tiếp theo là một chuỗi các biến đổi phóng xạ của chuỗi urani (Hình 9.7.5). Theo Ủy ban Kiểm soát và An toàn Bức xạ Hoa Kỳ, trung bình một người nhận được 55% bức xạ ion hóa từ radon và chỉ 11% từ chăm sóc y tế. Sự đóng góp của các tia vũ trụ là khoảng 8%. Tổng liều bức xạ mà một người nhận được trong đời ít hơn nhiều lần liều tối đa cho phép(SDA), được thành lập cho những người làm nghề nhất định phải tiếp xúc thêm với bức xạ ion hóa.