ЕГЭ
КАРТОЧКИ
ТЕСТЫ
ОБРАЧАТ
Деление ядер урана. Цепная реакция
На прошлых уроках мы познакомились со строением атома и ядерными силами. Эти силы удерживают нуклоны вместе — обеспечивают устойчивость атомного ядра. Поэтому для разрушения ядра необходимо преодолеть это взаимодействие, а значит, нужно затратить энергию. Эту энергию называют энергией связи ядра, которую можно рассчитать по формуле: $\Delta E_0 = \Delta mc^2$(рисунок 1).
Также важной характеристикой ядра является удельная энергия связи — энергия связи, приходящаяся на один нуклон. Она показывает, насколько устойчиво данное ядро. Известно, что наибольшей удельной энергией связи обладают ядра элементов, расположенных в средней части периодической системы. У легких ядер и у тяжелых ядер она меньше (рисунок 2).
Для тяжелых ядер, таких как уран, удельная энергия связи сравнительно невелика. При определенных условиях они могут распадаться на более устойчивые легкие ядра, у которых удельная энергия связи больше. По закону сохранения энергии такие процессы обязательно сопровождаются выделением энергии. Эта энергия имеет большое практическое значение, так как ее можно использовать для получения тепла или электричества. Поэтому процессы деления тяжелых ядер представляют особый интерес для науки и техники.
На данном уроке мы рассмотрим процесс деления ядер урана; выясним, что представляет собой цепная ядерная реакция и выясним, какие факторы влияют на ее протекание.
Ядерные реакции и выделение энергии при делении ядер
Ядерная реакция — это процесс изменения атомного ядра при его взаимодействии с частицей или с другим ядром.
С примерами ядерных реакций мы уже сталкивались ранее. Например, при изучении открытия протона и нейтрона, когда атомные ядра бомбардировали $\alpha$-частицами (рисунок 3).
Особый интерес представляют ядерные реакции, в которых участвуют тяжелые ядра, такие как уран. При их распаде на несколько более легких ядер средняя энергия связи нуклонов увеличивается, а разность энергий выделяется во внешнюю среду. Так, при делении одного ядра урана $^{235}_{92}\text{U}$ выделяется энергия порядка $200 \space МэВ$.
Для сравнения: при образовании молекулы воды при реакции водорода с кислородом выделяется около $5 \space эВ$ энергии на одну молекулу (рисунок 4). А энергия, выделяющаяся при сгорании одной молекулы метана, составляет примерно $8 \space эВ$.
Так, процессы деления тяжелых ядер являются источником огромных энергий. Поэтому они имеют важное практическое значение.
Деление ядер урана
Процесс деления ядер урана был открыт в 1939 году немецкими учеными Отто Ганом и Фрицем Штрассманом. Они обнаружили, что при бомбардировке ядер урана нейтронами образуются ядра гораздо меньших элементов. Это указывает на распад исходного (родительского) ядра.
Рассмотрим более подробно, что происходит с ядром урана при попадании в него нейтрона (рисунок 5).
Нейтрон не имеет электрического заряда, поэтому он может свободно проникнуть внутрь ядра. Так, захватывая нейтрон, ядро урана $^{235}_{92}\text{U}$ превращается в ядро $^{236}_{92}\text{U}$. Масса образовавшегося ядра оказывается меньше суммы масс исходного ядра и свободного нейтрона. Эта разность масс называется дефектом массы (рисунок 6):
$\Delta m = (m_{^{235}\text{U}} \space + \space m_n) \space − \space m_{^{236}\text{U}}$.
Дефект массы соответствует энергии, которая выделяется при захвате нейтрона ядром:
$\Delta E_0 = \Delta mc^2$.
Эта энергия не покидает ядро сразу, а идет на увеличение его внутренней энергии. Поэтому ядро урана переходит в возбужденное состояние:
$^{235}_{92}\text{U} \space + \space ^1_0\text{n} \space \to \space ^{236}_{92}\text{U*}$.
Деформация ядра
Теперь возбужденное ядро урана $^{236}_{92}\text{U*}$ обладает избыточной внутренней энергией и поэтому является неустойчивым. Наличие этой избыточной энергии приводит к изменению формы ядра. Оно начинает деформироваться, приобретая вытянутую форму (рисунок 7).
Чем обусловлена эта деформация? Мы знаем, что в атомном ядре одновременно действуют два типа сил:
- ядерные силы притяжения, удерживающие нуклоны вместе,
- электростатические силы отталкивания между положительно заряженными протонами.
По мере деформации ядра расстояние между его частями увеличивается. Ядерные силы, которые являются короткодействующими, быстро ослабевают. Электростатическое отталкивание между положительно заряженными частями ядра при этом сохраняется. Когда ядро сильно вытягивается, ядерные силы уже не могут удерживать его удаленные друг от друга части.
Разрыв ядра
Теперь ядро переходит к следующей стадии процесса — делению (рисунок 8). Именно силы электростатического отталкивания между двумя положительно заряженными частями ядра играют здесь решающую роль. Под их действием ядро разрывается на два осколка.
Эти осколки разлетаются в разные стороны с огромной скоростью. При этом они испускают 2−3 нейтрона.
Осколки — это два более легких ядра. Их массовые числа обычно различны, поэтому деление не является симметричным. Получившиеся ядра почти всегда радиоактивны. Со временем они претерпевают дальнейшие превращения.
Например, одним из наиболее вероятных вариантов деления является следующая ядерная реакция. В результате деления ядра урана образуются ядра бария и криптона, а также несколько свободных нейтронов:
$^{235}_{92}\text{U} \space + \space ^1_0\text{n}\space \to \space ^{141}_{56}\text{Ba} \space + \space ^{92}_{36}\text{Kr} \space + \space 3 ^1_0\text{n}$.
Превращения энергии при делении ядер урана
При разрыве ядра на части часть его внутренней энергии переходит в кинетическую энергию разлетающихся осколков и частиц (рисунок 9). Осколки сталкиваются с атомами окружающего их вещества и замедляются. В результате этого их кинетическая энергия превращается во внутреннюю энергию среды. То есть в энергию взаимодействия и теплового движения частиц этой среды.
Если одновременно происходит деление большого количества ядер урана, то внутренняя энергия окружающей среды заметно возрастает. Температура вещества среды резко повышается — окружающая среда нагревается.
Реакция деления ядер урана идет с выделением энергии в окружающую среду.
Мы должны понимать, что в ядрах атомов заключена невероятно огромная энергия. Например, при полном делении всех ядер, содержащихся всего в $1 \space г$ урана, выделилось бы столько же энергии, сколько при сгорании $2.5 \space т$ нефти (рисунок 10).
Естественно возникает вопрос: как можно получить и использовать эту энергию на практике? Здесь важно не просто наличие этой энергии, а возможность получать ее контролируемо и в течение длительного времени. На атомных электростанциях эту энергию преобразуют в электрическую, используя цепные реакции деления ядер.
Цепная реакция деления ядер урана
Рассмотрим, как протекает цепная реакция деления ядра изотопа урана-235 ($^{235}_{92}\text{U}$).
Почему мы рассматриваем деление именно этого изотопа? Это связано с тем, что именно его ядра способны делиться при захвате нейтронов. Для других изотопов урана и тяжелых ядер условия деления более сложные. Часто требуются частицы с гораздо большей энергией. Поэтому $^{235}_{92}\text{U}$ играет ключевую роль в ядерной энергетике и в реакциях управляемого деления ядер.
Захватив свободный нейтрон, ядро урана разделяется на две части. При этом испускаются три нейтрона. Два их них поглощаются другими ядрами урана $^{235}_{92}\text{U}$ и вызывают их деление (рисунок 11). Образуется еще четыре свободных нейтрона. Они, в свою очередь, вызывают деление еще четырех ядер урана. После этого снова образовываются свободные нейтроны, которые продолжают вызывать деление ядер.
Получается, что в результате цепной реакции деления общее число свободных нейтронов в куске урана лавинообразно увеличивается с течением времени. При этом резко возрастает число делений ядер. Соответственно, резко возрастает и энергия, которая выделяется в единицу времени. Реакция становится неуправляемой. Поэтому она носит опасный взрывной характер. Например, именно такая реакция протекает в атомной бомбе.
Возможен и другой вариант. Если число свободных нейтронов со временем будет уменьшаться, то в какой-то момент цепная реакция прекратится. Для производства электроэнергии такой вариант тоже не подходит.
Получается, что для получения электроэнергии необходима такая цепная реакция, в которой число свободных нейтронов не меняется с течением времени (рисунок 12).
Факторы, влияющие на цепную реакцию
Итак, для нас особенно важна цепная реакция, в которой число нейтронов все время будет оставаться постоянным. Чтобы провести такую реакцию, нам нужно знать, что влияет на уменьшение и на увеличение числа свободных нейтронов в куске урана.
Критическая масса
Первый фактор, который мы рассмотрим — это масса урана.
Дело в том, что не каждый нейтрон, возникший при делении ядра, вызывает новое деление. Если масса (а значит, и размер) куска урана слишком мала, то часть нейтронов может вылететь за его пределы. Эти нейтроны не успеют встретить на своем пути ядро урана, не вызовут его деление и не породят новое поколение нейтронов. В итоге, число свободных нейтронов в таком куске урана будет постепенно уменьшаться, пока цепная реакция не прекратится.
Если масса урана слишком мала, цепная реакция прекращается.
Чтобы цепная реакция не прекращалась, нужно чтобы масса урана была не меньшего определенного значения — критического. Если масса достаточна, число нейтронов, вызывающих новые деления, компенсирует потери.
Критическая масса — это наименьшая масса урана, при которой возможно непрерывное протекание цепной реакции деления.
Так, для шарообразного куска урана-235 критическая масса составляет примерно $50 \space кг$. При этом радиус такого шара будет всего около $9 \space см$. Это связано с тем, что уран имеет очень большую плотность — $19 \frac{г}{см^3}$. Для сравнения: плотность железа составляет примерно $7.9 \frac{г}{см^3}$, а плотность воды — $1 \frac{г}{см^3}$ (рисунок 13).
При критической массе число нейтронов, которые появились в результате деления ядер, становится равным числу потерянных нейтронов. Поэтому их число остается постоянным. Тогда цепная реакция может идти непрерывно долгое время, не приобретая взрывной характер.
Если же масса урана больше критической, то происходит резкое увеличение числа свободных нейтронов. Тогда цепная реакция приводит к взрыву (рисунок 14).
Отражающая оболочка
Потерю нейтронов (вылетающих их урана, не взаимодействуя с ядрами) можно уменьшить не только за счет увеличения массы урана. С этой целью используют специальную отражающую оболочку.
Так, кусок урана помещают в оболочку, сделанную из вещества, которое хорошо отражает нейтроны. Например, из бериллия или графита. Нейтроны, которые в противном случае вылетели бы за пределы урана, отражаются от такой оболочки и возвращаются обратно (рисунок 15). Вернувшиеся нейтроны могут вновь столкнуться с ядрами урана и вызвать их деление. В результате общее число нейтронов, участвующих в реакции, увеличивается.
Использование отражающей оболочки позволяет уменьшить потери нейтронов. Следовательно, так можно снизить критическую массу урана, необходимую для протекания цепной реакции.
Примеси
Еще одним важным фактором являются примеси других химических элементов в уране. Некоторые ядра легко поглощают нейтроны, но при этом не делятся. Например, ядра бора (рисунок 16). Если таких примесей слишком много, они перехватывают значительную часть свободных нейтронов.
В этом случае число нейтронов, способных вызвать новые деления ядер урана, уменьшается. Тогда цепная реакция может прекратиться. Поэтому для устойчивого протекания цепной реакции необходимо использовать уран с минимальным содержанием примесей, поглощающих нейтроны.
Замедлители нейтронов
Также на ход цепной реакции влияют замедлители нейтронов.
Дело в том, что ядра урана-235 с наибольшей вероятностью делятся под действием медленных нейтронов. А вот при делении ядер образуются нейтроны с большой скоростью — быстрые нейтроны. Вероятность захвата таких нейтронов ядрами урана оказывается сравнительно небольшой.
Если уменьшить скорость этих быстрых нейтронов, то вероятность их взаимодействия с ядрами урана возрастает. Теперь большая их часть захватится ядрами урана-235 с последующим делением этих ядер. Для этого в реакторах используют специальные вещества — замедлители нейтронов.
Замедление нейтронов происходит за счет их многократных столкновений с ядрами атомов замедлителя (рисунок 17). При этих столкновениях нейтроны передают часть своей кинетической энергии атомам вещества. В результате чего их скорость уменьшается. При этом ядра замедлителя почти не поглощают нейтроны.
В качестве замедлителей используются такие вещества, как графит, обычная вода и тяжелая вода. Использование замедлителей позволяет большему числу нейтронов вызывать деление ядер и поддерживать цепную реакцию.
Вывод
Возможность протекания цепной реакции определяется в основном массой урана, количеством примесей в нем, наличием оболочки и замедлителя.
Как мы уже знаем, критическая масса шарообразного куска урана-235 равно приблизительно $50 \space кг$. Но использование замедлителя нейтронов, отражающей оболочки и уменьшение количества примесей позволяют значительно сократить потери нейтронов. В результате критическую массу удается существенно снизить — до $0.8 \space кг$.
Упражнения
Упражнение № 1
Энергии химических реакций, связанных с разрывом и образованием химических связей, составляют величины порядка нескольких электрон-вольт. Сравните энергию, выделяющуюся при делении одного ядра урана ($\approx 200 \space МэВ$), с характерной энергией химической реакции ($\approx 1 \space эВ$). Во сколько раз первая больше?
Дано:
$E_1 \approx 200 \space МэВ$
$E_2 \approx 1 \space эВ$
$\frac{E_1}{E_2} — ?$
Посмотреть решение и ответ
Скрыть
Решение:
Переведем мегаэлектрон-вольты в электрон-вольты:
$1 \space МэВ \approx 10^6 \space эВ$,
$E_1 \approx 200 \space МэВ \approx 2 \cdot 10^8 \space эВ$.
Сравним энергии:
$\frac{E_1}{E_2} \approx \frac{2 \cdot 10^8 \space эВ}{1 \space эВ} \approx 2 \cdot 10^8$.
Получается, что энергия, выделившаяся при делении одного ядра урана, примерно в $2 \cdot 10^8$ (или в $200 \space 000 \space 000$) раз больше характерной энергии химических реакций.
Ответ: $\frac{E_1}{E_2} \approx 2 \cdot 10^8$.
Упражнение № 2
Запишите ядерное уравнение реакции деления ядра $^{235}_{92}\text{U}$ под действием нейтрона, если в результате образуются ядро ксенона $^{140}_{54}\text{Xe}$, ядро стронция $^{94}_{38}\text{Sr}$ и несколько нейтронов.
Посмотреть решение и ответ
Скрыть
Решение:
В результате захвата нейтрона ядром урана образуется ядро ксенона, ядро стронция и несколько нейтронов. Обозначим число нейтронов $x$:
$^{235}_{92}\text{U} \space + \space ^1_0\text{n} \space \to \space ^{140}_{54}\text{Xe} \space + \space ^{94}_{38}\text{Sr} \space + \space x \cdot ^1_0\text{n}$.
Теперь используем законы сохранения массового и зарядового чисел.
Сначала проверим выполнение закона сохранения зарядового числа:
$92 \space + \space 0 = 54 \space + \space 38 \space + \space x \cdot 0$,
$92 = 92$.
Теперь используем закон сохранения массового числа:
$235 \space + \space 1 = 140 \space + \space 94 \space + \space x \cdot 1$,
$236 = 234 \space + \space x$,
$x = 2$.
Значит, при этой реакции деления испускаются два нейтрона:
$^{235}_{92}\text{U} \space + \space ^1_0\text{n} \space \to \space ^{140}_{54}\text{Xe} \space + \space ^{94}_{38}\text{Sr} \space + \space 2 ^1_0\text{n}$.
Ответ: $^{235}_{92}\text{U} \space + \space ^1_0\text{n} \space \to \space ^{140}_{54}\text{Xe} \space + \space ^{94}_{38}\text{Sr} \space + \space 2 ^1_0\text{n}$.
Часто задаваемые вопросы
По мере деформации ядра расстояние между его частями увеличивается. Ядерные силы, которые являются короткодействующими, быстро ослабевают, а электростатическое отталкивание между положительно заряженными частями ядра сохраняется. Когда ядро сильно вытягивается, ядерные силы уже не могут удерживать его удаленные друг от друга части — происходит разрыв ядра.
В результате деления ядра образуются два осколки (ядра других элементов) и 2−3 нейтрона.
При делении ядра часть его внутренней энергии переходит в кинетическую энергию разлетающихся осколков и частиц. Когда осколки тормозятся в окружающей среде, их кинетическая энергия переходит во внутреннюю энергию среды.
Реакция деления ядер урана всегда идет с выделением энергии в окружающую среду.
Ядро урана, поглотив нейтрон, разрывается на два осколка, которые разлетаются в разные стороны и спускают при этом 2−3 нейтрона. Эти нейтроны попадают в другие ядра, вызывая их деление и испускание новых нейтронов. Данный процесс многократно повторяется. В результате, количество нейтронов и количество делящихся ядер лавинообразно возрастает.
Критическая масса — это наименьшая масса урана, при которой возможно непрерывное протекание цепной реакции деления ядер.
Если масса урана больше критической, то происходит резкое увеличение числа нейтронов, а сама реакция носит опасный взрывной характер.
Если масса урана меньше критической, то реакция быстро затухает из-за недостатка свободных нейтронов.
5
5
1
5
Получите полный доступ ко всем материалам и занимайтесь в удобном темпе — без ограничений.
- Более 700 000 учеников и 50 000 учителей по всей России.
- Повышение среднего балла по предмету до 20 % после месяца занятий.
- Всплеск интереса к учебе и более глубокое понимание предметов.
Создайте бесплатный аккаунт — и откройте больше возможностей:
- Отслеживайте прогресс освоения тем
- Получайте персональные подборки полезных уроков и заданий
- Проводите работу над ошибками после занятий
Хотите оставить комментарий?
Войти