Что образуется при делении ядра
Вопросы § 58
Физика А.В. Перышкин
1.Почему деление ядра может начаться только тогда, когда оно деформируется под действием поглощённого им нейтрона?
При деформации ядра ядерные силы ослабевают, и ядро распадается под действием электростатических сил отталкивания.
2. Что образуется в результате деления ядра?
В результате деления ядер образуются два осколка и 2—3 нейтрона.
3. В какую энергию переходит часть внутренней энергии ядра при его делении; кинетическая энергия осколков ядра урана при их торможении в окружающей среде?
Внутренняя энергия ядра при делении переходит в кинетическую энергию разлетающихся осколков и частиц.
Энергия выделяется в окружающую среду и переходит во внутреннюю энергию.
4. Как идёт реакция деления ядер урана — с выделением энергии в окружающую среду или, наоборот, с поглощением энергии?
Реакция деления ядер урана идет с выделением энергии.
5. Расскажите о механизме протекания цепной реакции, используя рисунок 163.
Ядро урана в результате захвата протона расщепляется на два осколка и выделяет три нейтрона, который в свою очередь взаимодействуют с другими ядрами урана, в результате чего происходит и их деление и выделение нейтронов.
6. Что называется критической массой урана?
Критической массой урана называется наименьшая их масс, при которой возможно протекание цепной реакции.
7. Возможно ли протекание цепной реакции, если масса урана меньше критической; больше критической? Почему?
Если масса урана меньше критической, то протекание цепной реакции невозможно, так как нейтроны выходят за пределы куска не встречая на своем пути ядра.
Если масса урана больше критической, то цепная реакция носит взрывной характер.
Деление и синтез ядер.
Делением ядер называется процесс, при котором из одного атомного ядра образуется 2 (иногда 3) ядра-осколка, которые являются близкими по массе.
Этот процесс является выгодным для всех β-стабильных ядер с массовым числом А > 100.
Деление ядер урана было выявлено в 1939 году Ганом и Штрасманом, однозначно доказавшие, что при бомбардировке нейтронами ядер урана U образуются радиоактивные ядра с массами и зарядами, приблизительно в 2 раза меньшими массы и заряда ядра урана. В том же году Л. Мейтнером и О. Фришером был введен термин «деление ядер» и было отмечено, что при этом процессе выделяется огромная энергия, а Ф. Жолио-Кюри и Э. Ферми одновременно выяснили, что при делении испускаются несколько нейтронов (нейтроны деления). Это стало основой для выдвижения идеи самоподдерживающейся цепной реакции деления и использования деления ядер как источника энергии. Основой современной ядерной энергетики является деление ядер 235 U и 239 Pu под действием нейтронов.
Деление ядра может происходить благодаря тому, что масса покоя тяжелого ядра оказывается большей суммы масс покоя осколков, которые возникают в процессе деления.
Из графика видно, что этот процесс оказывается выгодным с энергетической точки зрения.
Механизм деления ядра можно объяснить на основе капельной модели, согласно которой сгусток нуклонов напоминает капельку заряженной жидкости. Ядро удерживают от распада ядерные силы притяжения, большие, чем силы кулоновского отталкивания, которые действуют между протонами и стремящиеся разорвать ядро.
Ядро 235 U имеет форму шара. После поглощения нейтрона оно возбуждается и деформируется, приобретая вытянутую форму (на рисунке б), и растягивается до тех пор, пока силы отталкивания между половинками вытянутого ядра не станут больше сил притяжения, действующих в перешейке (на рисунке в). После этого ядро разрывается на две части (на рисунке г). Осколки под действием кулоновских сил отталкивания разлетаются со скоростью, равной 1/30 скорости света.
Испускание нейтронов в процессе деления, о котором мы говорили выше, объясняется тем, что относительное число нейтронов (по отношению к числу протонов) в ядре увеличивается с возрастанием атомного номера, и для образовавшихся при делении осколков число нейтронов становится большим, чем это возможно для ядер атомов с меньшими номерами.
Деление зачастую происходит на осколки неравной массы. Эти осколки являются радиоактивными. После серии β-распадов в итоге образуются стабильные ионы.
Кроме вынужденного, бывает и спонтанное деление ядер урана, которое было открыто в 1940 году советскими физиками Г. Н. Флеровым и К. А. Петржаком. Период полураспада для спонтанного деления соответствует 10 16 годам, что в 2 млн. раз больше периода полураспада при α-распаде урана.
Синтез ядер происходит в термоядерных реакциях. Термоядерные реакции — это реакции слияния легких ядер при очень высокой температуре. Энергия, которая выделяется при слиянии (синтезе), будет максимальной при синтезе легких элементов, которые обладают наименьшей энергией связи. При соединении двух легких ядер, например, дейтерия и трития, образуется более тяжелое ядро гелия с большей энергией связи:
При таком процессе ядерного синтеза происходит выделение значительной энергии (17,6 Мэв), равная разности энергий связи тяжелого ядра 
и двух легких ядер 
. Образующийся при реакциях нейтрон приобретает 70% этой энергии. Сравнение энергии, которая приходится на один нуклон в реакциях ядерного деления (0,9 Мэв) и синтеза (17,6 Мэв), показывает, что реакция синтеза легких ядер энергетически является более выгодной, чем реакция деления тяжелых.
Термоядерный синтез — реакция, в которой при высокой температуре, большей 10 7 К, из легких ядер синтезируются более тяжелые ядра.
Термоядерный синтез — источник энергии всех звезд, в том числе, и Солнца.
Основным процессом, при котором происходит освобождение термоядерной энергии в звездах, является превращение водорода в гелий. За счет дефекта массы в этой реакции масса Солнца уменьшается каждую секунду на 4 млн тонн.
Большую кинетическую энергию, которая нужна для термоядерного синтеза, ядра водорода получают в результате сильного гравитационного притяжения к центру звезды. После этого при слиянии ядер гелия образуются и более тяжелые элементы.
Термоядерные реакции играют одну из главных ролей в эволюции химического состава вещества во Вселенной. Все эти реакции происходят с выделением энергии, которая излучается звездами в виде света на протяжении миллиардов лет.
Осуществление управляемого термоядерного синтеза предоставило бы человечеству новый, практически неисчерпаемый источник энергии. И дейтерий, и тритий, нужные для его осуществления , вполне доступны. Первый содержится в воде морей и океанов (в количестве, достаточном для использования в течение миллиона лет), второй может быть получен в ядерном реакторе при облучении жидкого лития (запасы которого огромны) нейтронами:
Одним из важнейших преимуществ управляемого термоядерного синтеза является отсутствие радиоактивных отходов при его осуществлении (в отличие от реакций деления тяжелых ядер урана).
Главным препятствием на пути осуществления управляемого термоядерного синтеза является невозможность удержания высокотемпературной плазмы с помощью сильных магнитных полей в течение 0,1-1 с. Однако существует уверенность в том, что рано или поздно термоядерные реакторы будут созданы.
Пока же получилось произвести только неуправляемую реакцию синтеза взрывного типа в водородной бомбе.
Вопрос 2 § 58 Физика 9 класс Перышкин Что образуется в результате деления ядра?
Кто знает ответ?
Что образуется в результате деления ядра?
В результате деления ядер образуются два осколка и 2-3 нейтрона.
Привет. Выручайте с ответом по физике…
Поплавок со свинцовым грузилом внизу опускают
сначала в воду, потом в масло. В обоих ( Подробнее. )
Привет всем! Нужен ваш совет, как отвечать…
Изобразите силы, действующие на тело, когда оно плавает на поверхности жидкости. ( Подробнее. )
Среди предложений 21-29:
(21) И Митрофанов услышал в этом смехе и прощение себе, и даже какое-то ( Подробнее. )
Что образуется при делении ядра
Развитие энергетики связано с развитием человеческого общества, научно-техническим прогрессом, который с одной стороны ведет к значительному подъему уровня жизни людей, но с другой оказывает воздействие на окружающую человека природную среду. К числу важнейших проблем относятся:
Сегодня в индустриальных странах сосредоточено 16% населения и 55% энергопотребления в мире. В развивающихся странах – 84% населения и 45% энергопотребления. Причем в индустриальных странах энергопотребление Q
0.2 кВт∙год/чел, Q = 10 21 Дж. На сегодняшний день человечество потребляет 1 Q в год. Для сравнения: до 1970 г. человечество потребило 6 Q, с 1970 г. по 2003 г.
С учетом темпов нынешнего роста численности населения и необходимости улучшения уровня жизни будущих поколений Мировой Энергетический Конгресс прогнозирует рост глобального потребления энергии на 50-100% к 2020 г. и на 140-320% к 2050 г.
Солнце, ветер, гидроэнергия, приливы и некоторые другие называют возобновляемыми потому, что их использование человеком практически не изменяет их запасы. Уголь, нефть, газ, торф, уран относятся к не возобновляемым источникам энергии и при переработке они теряются безвозвратно.
Широко бытующее утверждение об экологической «чистоте» возобновляемых источников энергии справедливо, лишь если иметь в виду только конечную стадию – энергопроизводящую станцию. Из всех этих видов возобновляемых источников энергии только гидроэнергия в настоящий момент вносит серьезный вклад во всемирное производство электроэнергии (17%).
Рисунок 4.8. Процесс деления тяжелых ядер тепловыми нейронами.
Ядерное деление. Цепной процесс
Изучение взаимодействия нейтронов с веществом привело к открытию ядерных реакций нового типа. В 1939 г. О. Ган и Ф. Штрассман исследовали химические продукты, получающиеся при бомбардировке нейтронами ядер урана. Среди продуктов реакции был обнаружен барий химический элемент с массой много меньше, чем масса урана. Задача была решена немецкими физиками Л. Мейтнерома и О. Фришем, показавшими, что при поглощении нейтронов ураном происходит деление ядра:
 | 92U + n → 56Ba + 36Kr + k∙n, |
| k > 1. |
Деление ядер – лишь один из множества процессов при взаимодействии нейтронов с ядрами. Деление урана называется присоединением к ядру урана с массовым числом A нейтрона и образование составного ядра. Этот процесс изображен на рисунке 4.8. или здесь (процесс деления ядра, представленный на картинке по последней ссылке скорее гипотетический, т.к. при делении образуется, как правило, два осколка). Деление ядра на три и более осколков может проходить при очень больших энергиях налетающих частиц, что практически встречается очень редко. Нас будет интересовать процесс деления ядра U-235 под действием тепловых нейтронов. Ниже Вы можете посмотреть анимацию этого процесса:
.gif "a fission U 235 (4.7)") |
Энергетически выгодно деление тяжелых ядер с массовым число A > 90. Этот вывод можно сделать анализирую зависимость изображенной на рисунке 2.2., оттуда также следует, что энергия деления растет с ростом A.
 |
Составное ядро делится, освобождая вторичные нейтроны (мгновенные нейтроны), среднее число которых νf равно 2-3 на акт деления. Для различных нуклидов νf различно и зависит от энергии нейтронов вызывающих деление ядра (см. таблицу 4.1):
Число нейтронов деления и их средняя энергия связаны следующей зависимостью:
| .gif "a chainreactio (4.7)") Самоподдерживающийся процесс деления ядер U-235. |
 |
Цепной процесс деления, как было указано, сопровождается интенсивным выделением тепла. В энергетических реакторах выделяется значительное количество тепловой энергии. Отвод ее из активной зоны представляет собой важную и часто сложно реализуемую техническую задачу, которая в основном определяет конструкцию активной зоны и физические показатели реактора. Один акт деления сопровождается выделением энергии следующих видов (общая энергия
Энергия, МэВ
Эта энергия (за исключением энергии нейтрино
10 Мэв) выделяется в основном в форме тепла, отводимого с помощью теплоносителя.
Экспериментально установлено, что спектры мгновенных нейтронов деления (т.е. распределения нейтронов деления по энергии) принципиально не отличаются друг от друга. Для разных делящихся веществ средняя энергия нейтронов деления равна около 2 МэВ, наиболее вероятная 0.75 МэВ. Для описания спектра мгновенных нейтронов деления используется зависимость:
Спектр называется спектром Уатта. Как видно из формулы спектр быстрых нейтронов практически одинаков для всех делящихся нуклидов.
 | .jpg "4.11 ES(E)") |
| Рисунок 4.10. Среднее число мгновенных нейтронов на акт деления для U-235. | Рисунок 4.11. Спектр нейтронов деления для U-235. |
В качестве делящихся изотопов в реакторах используют 233U, 235U, 238U, 239Pu, 232Th. Нечетные изотопы (233U, 235U, 238U, 239Pu, 241Pu) способны к беспороговому делению, т.е. они делятся нейтронами любых энергий. Четные изотопы (238U) делятся только нейтронами с энергией больше некоторого определенного значения ( энергии порога ), которая несколько ниже средней энергии нейтронов деления E0. так, эффективная пороговая энергия 238U составляет
1.4 МэВ. Изотопы, способные к беспороговому делению, называются ядерным горючим, потому что без них невозможна самоподдерживающаяся цепная реакция деления, т.е. невозможно построить реактор.
В любом ядерном реакторе, в топливе которого содержится 238U и 232Th, будет возникать 233U, 239Pu:
| .gif "f U 238 (4.7)") |
| .gif "f Th 232 (4.7)") |
235U – является первичным ядерным горючим; 233U, 239Pu – вторичным ядерным горючим. Процесс получения вторичного ядерным горючим чрезвычайно важен, т.к. позволяет увеличить сырьевую топливную базу ядерной энергетики.
Схема реактора. Классификация реакторов
 |
| Рисунок 4.12.1. Схема активной зоны ядерного реактора. |
Движение стержней СУЗ в активной зоне ядерного реактора, можно посмотреть здесь.
 |
| Рисунок 4.12.2. Технологическая схема ядерного энергоблока. |
Реакторы можно классифицировать по:
| |
При поглощении нейтрона с малой энергией оба изотопа 235U и 239Pu испытывают деление. Продукты деления характеризуются более сильной связью (
1 МэВ на нуклон), благодаря чему в результате деления высвобождается примерно 200 МэВ энергии.
Колоссальным источником энергии может служить реакция синтеза атомных ядер – образование из легких ядер более тяжелых. Природа энергии Солнца и звезд подтверждает практическую осуществимость реакции синтеза. Как известно, солнечная энергия освобождается в результате двух кольцевых процессов, называемых протонно-протонным и углеродно-азотным циклами, которые сводятся к последовательному преобразованию протонов в ядра гелия с выделением большого количества энергии. Продолжительность углеродно-азотного цикла составляет несколько десятков миллионов лет, а протонно-протонного – даже около 15 млрд. лет. Тем не менее, из-за колоссального количества участвующих в циклах ядер, Солнце непрерывно излучает огромную энергию.
В земных условиях наиболее многообещающими реакциями являются:
В реакциях синтеза выделяется значительно больше энергии в расчете на один нуклон, чем в реакциях деления. Например, при делении ядра урана выделяется около 200 МэВ, что составляет 0.84 МэВ/нуклон, а в реакциях синтеза эта энергия может составлять величину равную 17.6/5=3.5 МэВ/нуклон.
А если учесть, что существующие на Земле запасы дейтерия практически неисчерпаемы (он входит в состав воды океанов), то ясно, что с осуществлением управляемой реакции синтеза в земных условиях будет полностью решена проблема энергоснабжения человечества.
Термоядерные реакции дают наибольший выход энергии на единицу массы «горючего», чем любые другие превращения, в том числе и деление тяжелых ядер. Например, количество дейтерия в стакане простой воды энергетически эквивалентно примерно 60 л бензина. Поэтому заманчива перспектива осуществления термоядерных реакций искусственным путем.
Серьезным препятствием на пути к получению энергии из «воды» является закон Кулона. Электростатическое отталкивание двух дейтронов при комнатной температуре не позволяет им сблизиться до расстояний, на которых сказываются короткодействующие ядерные силы притяжения. Предположим, что для преодоления электростатического отталкивания два дейтрона должны сблизиться до 10 −14 м. Найдем высоту электростатического потенциального барьера в МэВ:
Энерговыделение при взрыве термоядерной водородной бомбы можно почти удвоить (при этом стоимость ее увеличится не намного) за счет использования оболочки из U 238 (слойка Alarm Clock ) (см. рисунок 4.14).
 |
| Рисунок 4.14. |
 | | |
