Підручник Фізика 9 клас - Т.М. Засєкіна - Оріон 2017 рік

Розділ 4 ФІЗИКА АТОМА ТА АТОМНОГО ЯДРА. ФІЗИЧНІ ОСНОВИ АТОМНОЇ ЕНЕРГЕТИКИ

§ 35. ПОДІЛ ВАЖКИХ ЯДЕР. ЛАНЦЮГОВА ЯДЕРНА РЕАКЦІЯ ПОДІЛУ

Ви дізнаєтесь

- Як отримують ядерну енергію

Пригадайте

- Властивості радіоактивного розпаду

Ядерні реакції. Відкриття Анрі Беккерелем радіоактивності й подальші дослідження цього явища показали, що всередині атома міститься величезна енергія, яка вивільняється під час ядерних реакцій. Постає питання: як використати цю енергію?

На відміну від хімічних реакцій, де змін зазнають лише молекули, а ядра атомів залишаються без змін, під час ядерних реакцій змін зазнають самі атомні ядра. При цьому замість одних хімічних елементів утворюються інші й виділяється або поглинається енергія.

Ядерна реакція — це процес перетворення атомних ядер у результаті їхньої взаємодії з елементарними частинками та між собою.

У 1919 р. Ернест Резерфорд здійснив першу ядерну реакцію, бомбардуючи азотну мішень а-частинками, і відкрив протон (р):

N + Не O +p .

У 1932 р. вперше були застосовані штучно отримані прискорені протони для поділу ядер Літію: Li + p Не + Не.

У тому самому році Джеймс Чедвік відкрив нейтрон (n): Ве + Не С + n , а Фредерік Жоліо-Кюрі здійснив реакцію АI + Не P + n і вперше отримав штучний радіоактивний ізотоп фосфору P , який є джерелом позитронів. Таким чином був відкритий позитрон е.

Як видно з наведених прикладів, під час ядерних реакцій виконується закон збереження кількості нуклонів. При цьому також виконуються закони збереження електричного заряду, енергії та ін.

Проте виняткова стабільність ядер нерадіоактивних елементів свідчить про те, що їх зміна може статись лише під час надзвичайно великого зовнішнього енергетичного впливу. Відкриття нейтрона стало поворотним етапом у дослідженні ядерних реакцій. Оскільки нейтрони не мають заряду, то вони без перешкод проникають в атомні ядра й спричинюють їхнє перетворення.

Італійський фізик Енріко Фермі першим почав вивчати ядерні реакції, що відбуваються при взаємодії ядер елементів з нейтронами. Він виявив, що ядерні перетворення зумовлюються не тільки швидкими, а й повільними нейтронами. Причому ці повільні нейтрони здебільшого навіть ефективніші, ніж швидкі. Тому швидкі нейтрони доцільно сповільнювати до потрібних швидкостей. Сповільнюються нейтрони у процесі руху в речовині, наприклад, у воді або в графіті.

Німецькі фізики Отто Ган і Фріц Штрассман у 1938 р. вперше дослідили реакцію поділу ядер урану під час бомбардування їх нейтронами. У результаті цієї реакції ядро атома урану ділилось на два нерівні уламки, вивільнювалося 2-3 нейтрони та енергія, яка була в мільйони разів більшою, ніж у хімічних реакціях. Це відкриття було не лише значним науковим досягненням — воно стало доленосним для всього світу. Саме на реакції поділу урану ґрунтується принцип дії атомної електростанції та атомної бомби.

Поділ ядер урану. Розглянемо детальніше механізм поділу ядер урану (мал. 189). Поглинувши нейтрон, ядро збуджується й починає деформуватися. Воно розтягується до тих пір, поки кулонівські сили відштовхування між протонами не почнуть переважати над силами притягання між нуклонами ядра. Після цього з одного ядра утворюються два уламки (ядра інших хімічних елементів), які розлітаються зі швидкістю швидкості світла. Під час поділу ядра вивільняються ще 2 або 3 нейтрони. Поява цих нейтронів пояснюється тим, що кількість нейтронів в уламках виявляється більшою, аніж це припустимо.

Уламки, що мають величезну швидкість, розлітаються й гальмуються навколишнім середовищем. Кінетична енергія уламків перетворюється на внутрішню енергію середовища, яке в результаті нагрівається. Таким чином, поділ ядер урану супроводжується виділенням великої кількості енергії. При поділі ядер, що містяться в 1 г урану, виділяється приблизно така сама енергія, як і під час спалювання 3 т кам’яного вугілля.

Ланцюгова ядерна реакція поділу. Нейтрони, що утворилися під час поділу одного ядра урану, можуть викликати поділ інших ядер урану. При цьому кількість нейтронів зростає лавиноподібно й виникає так звана ланцюгова ядерна реакція, яка підтримується без зовнішнього опромінювання урану нейтронами.

Мал. 189. Схема поділу ядра Урану

Ланцюгова ядерна реакція — це процес, у якому одна проведена реакція викликає подальші реакції такого самого типу.

У реальних умовах не всі нейтрони, які утворюються під час поділу, беруть участь у наступних поділах інших ядер. Частина з них захоплюється ядрами сторонніх атомів, які не діляться, а інші вилітають зі шматка урану назовні.

Відношення кількості актів поділу, спричинених вторинними нейтронами, до кількості поділів, у яких вони утворились, називають коефіцієнтом розмноження нейтронів (k).

При k = 1 кількість поділів підтримується на сталому рівні. Такий режим самопідтримуваної ланцюгової реакції називається стаціонарним і використовується в ядерних реакторах.

При k < 1 кожне нове покоління нейтронів спричинює все меншу й меншу кількість поділів, і реакція без зовнішнього джерела нейтронів швидко згасає.

При k >1 кожне нове покоління нейтронів спричинює дедалі більшу кількість поділів. Ланцюгова реакція лавиноподібно наростає й стається вибух.

Практичне здійснення ядерної ланцюгової реакції вимагає подолання значних труднощів. Річ у тім, що природний уран є сумішшю двох ізотопів — урану-235 (0,7 %) й урану-238 (99,3 %). Ці ізотопи під дією нейтронів поводять себе по-різному. Нейтрони, що звільнилися при поділі ядер урану-235, здатні викликати поділ лише ядер цього самого ізотопу, частка якого в природному урані дуже мала й виявляється недостатньою для початку ланцюгової реакції. Цю трудність долають завдяки збагаченню природного урану ізотопами урану-235 до 5 % та сповільненням нейтронів, що істотно зменшує їхнє поглинання ядрами урану-238.

Найкращим уповільнювачем нейтронів є «важка вода» (Д20), молекули якої складаються з дейтерію (ізотопу водню) та кисню. При взаємодії з нейтронами звичайна вода перетворюється на важку. Хорошим уповільнювачем нейтронів є також графіт. Ядра вуглецю, що входить до складу графіту, не поглинають нейтрони. При пружній взаємодії з ядрами дейтерію («важка вода») або вуглецю (графіт) нейтрони сповільнюються до потрібних швидкостей.

Підбиваємо підсумки

- Ланцюговою реакцією називають процес, у якому одна проведена реакція викликає подальші реакції такого самого типу.

- Відношення кількості нейтронів поточного покоління до кількості нейтронів попереднього покоління називається коефіцієнтом розмноження нейтронів (k). При k = 1 ланцюгова реакція проходить стаціонарно.

ФОРМУЄМО КОМПЕТЕНТНІСТЬ

Я поміркую й зможу пояснити

1. Чи можна за допомогою хімічних реакцій перетворити атоми одного хімічного елемента на атоми іншого хімічного елемента? Поясніть свою відповідь.

2. Чому під час поділу ядер урану виділяється енергія?

3. Як відбувається поділ ядра урану-235? Що називають коефіцієнтом розмноження нейтронів?

4. Чим відрізняються процеси поділу урану-235 й урану-238?

5. Чому нейтрони виявилися найбільш зручними частинками для бомбардування атомних ядер?

Я можу застосовувати знання й розв'язувати задачі






Відвідайте наш новий сайт - Матеріали для Нової української школи - планування, розробки уроків, дидактичні та методичні матеріали, підручники та зошити

Віртуальна читальня освітніх матеріалів для студентів, вчителів, учнів та батьків.

Наш сайт не претендує на авторство розміщених матеріалів. Ми тільки конвертуємо у зручний формат матеріали з мережі Інтернет які знаходяться у відкритому доступі та надіслані нашими відвідувачами.

Всі матеріали на сайті доступні за ліцензією Creative Commons Attribution-Sharealike 3.0 Unported CC BY-SA 3.0 та GNU Free Documentation License (GFDL)

Якщо ви являєтесь володарем авторського права на будь-який розміщений у нас матеріал і маєте намір видалити його зверніться для узгодження до адміністратора сайту.

Дозволяється копіювати матеріали з обов'язковим гіпертекстовим посиланням на сайт, будьте вдячними ми приклали багато зусиль щоб привести інформацію у зручний вигляд.

© 2007-2019 Всі права на дизайн сайту належать С.Є.А.