Номер 4, страница 128, часть 2 - гдз по физике 11 класс учебник Туякбаев, Насохова

4. Почему при делении ядра вылетают несколько нейтронов?

4. Выделение нескольких нейтронов при делении тяжелых атомных ядер (например, урана) является фундаментальным свойством этого процесса, обусловленным законами ядерной стабильности. Это явление можно объяснить, рассмотрев соотношение числа нейтронов и протонов в ядрах.

1. Соотношение нейтронов и протонов (N/Z). Стабильность атомного ядра зависит от баланса между силами. Протоны, будучи положительно заряженными, отталкиваются друг от друга (электростатические силы). Нейтроны и протоны притягиваются друг к другу за счет мощного, но короткодействующего сильного ядерного взаимодействия. В легких ядрах (в начале таблицы Менделеева) наиболее стабильные изотопы имеют примерно равное число нейтронов ($\text{N}$) и протонов ($\text{Z}$), то есть соотношение $N/Z \approx 1$.

2. Избыток нейтронов в тяжелых ядрах. С ростом числа протонов в ядре силы электростатического отталкивания возрастают быстрее, чем ядерные силы притяжения. Чтобы компенсировать это отталкивание и удержать ядро от распада, требуются дополнительные "нейтральные" частицы — нейтроны. Поэтому для тяжелых ядер (таких как уран, $Z=92$) кривая стабильности смещается в сторону избытка нейтронов. Например, у изотопа урана-235 ($_{92}^{235}U$) 92 протона и 143 нейтрона, а соотношение $N/Z = 143/92 \approx 1.55$.

3. Продукты деления (осколки). Когда ядро урана-235 поглощает медленный нейтрон, оно становится нестабильным и делится на два (реже три) осколка — ядра элементов из середины таблицы Менделеева (например, барий и криптон). Для этих элементов среднего веса наиболее стабильными являются изотопы с гораздо меньшим относительным содержанием нейтронов (например, для стабильных изотопов в этом диапазоне масс соотношение $N/Z$ составляет примерно 1.2–1.4).

4. Возникновение "лишних" нейтронов. Поскольку исходное ядро урана имело высокое соотношение $N/Z$, образовавшиеся осколки деления наследуют этот избыток нейтронов. Они оказываются "перегруженными" нейтронами по сравнению со стабильными изотопами той же массы. Ядро, находящееся в таком состоянии, нестабильно. Кроме того, сам процесс деления высвобождает огромное количество энергии, которая передается осколкам в виде энергии возбуждения.

5. Испускание нейтронов. Чтобы прийти в более стабильное состояние, возбужденные осколки деления должны избавиться от избыточной энергии и "лишних" нейтронов. Самый быстрый и энергетически выгодный способ сделать это — испустить один или несколько свободных нейтронов. Этот процесс происходит практически мгновенно (за время порядка $10^{-14}$ с) и называется испусканием мгновенных нейтронов. Поскольку оба осколка перегружены нейтронами, каждый из них может испустить нейтроны, что в сумме дает в среднем 2-3 нейтрона на один акт деления.

Именно этот факт — что при делении одного ядра высвобождается более одного нейтрона — делает возможной самоподдерживающуюся цепную ядерную реакцию, которая используется в ядерных реакторах и ядерном оружии.

Ответ: При делении тяжелых ядер, имеющих значительный избыток нейтронов над протонами (соотношение $N/Z > 1.5$), образуются два более легких ядра-осколка. Для этих более легких ядер стабильное состояние соответствует гораздо меньшему соотношению $N/Z$. В результате осколки деления рождаются "перегруженными" нейтронами и находятся в возбужденном состоянии. Чтобы достичь стабильности, они почти мгновенно испускают эти избыточные нейтроны (в среднем 2-3 нейтрона на один акт деления), что является ключевым условием для осуществления цепной реакции.