Номер 3, страница 131, часть 2 - гдз по физике 11 класс учебник Туякбаев, Насохова

3. Почему не происходит цепная ядерная реакция в уране-238?

3. Почему не происходит цепная ядерная реакция в уране-238?

Цепная ядерная реакция деления не происходит в уране-238 ($ {}^{238}\text{U} $) из-за особенностей его взаимодействия с нейтронами, которые кардинально отличаются от взаимодействия с ураном-235 ($ {}^{235}\text{U} $). Существует несколько ключевых причин.

1. Порог энергии для деления. Ядра урана-238 способны делиться только под действием быстрых нейтронов, кинетическая энергия которых превышает пороговое значение примерно в $1 \text{ МэВ}$. Нейтроны с меньшей энергией (например, тепловые) не могут вызвать деление $ {}^{238}\text{U} $.

2. Энергия рождающихся нейтронов. При делении ядра урана испускается в среднем 2-3 новых нейтрона. Эти нейтроны являются быстрыми, и их средняя энергия составляет около $2 \text{ МэВ}$, что выше порога деления.

3. Конкуренция процессов. Несмотря на то что рождающиеся нейтроны имеют достаточную энергию, при их столкновении с другими ядрами $ {}^{238}\text{U} $ происходит два конкурирующих процесса: деление и неупругое рассеяние. Вероятность неупругого рассеяния оказывается значительно выше вероятности деления. При неупругом рассеянии нейтрон отдает часть своей энергии ядру, и его собственная энергия падает ниже порогового значения в $1 \text{ МэВ}$.

4. Радиационный захват. После того как энергия нейтрона снизилась, он уже не способен вызвать деление $ {}^{238}\text{U} $. Вместо этого он с очень высокой вероятностью поглощается ядром урана-238 без деления. Этот процесс называется радиационным захватом, в результате которого образуется изотоп уран-239, а затем, после двух бета-распадов, — плутоний-239:

$${}^{238}_{92}\text{U} + {}^{1}_{0}\text{n} \rightarrow {}^{239}_{92}\text{U} \xrightarrow{\beta^-} {}^{239}_{93}\text{Np} \xrightarrow{\beta^-} {}^{239}_{94}\text{Pu}$$

Поскольку большинство нейтронов, образующихся при делении, быстро теряют энергию и поглощаются без вызова новых делений, количество делящих нейтронов в каждом последующем поколении уменьшается. Коэффициент размножения нейтронов (отношение числа нейтронов в данном поколении к числу нейтронов в предыдущем) для урана-238 оказывается меньше единицы ($ k < 1 $). Это означает, что любая начавшаяся цепная реакция быстро затухает и не может стать самоподдерживающейся.

Ответ: Цепная ядерная реакция в уране-238 не происходит, потому что для деления его ядер требуются быстрые нейтроны (с энергией $> 1 \text{ МэВ}$), но эти же нейтроны с гораздо большей вероятностью теряют свою энергию при неупругих столкновениях с другими ядрами урана-238, чем вызывают их деление. Потеряв энергию, нейтроны уже не могут вызвать деление и в основном поглощаются ядрами. Из-за этого коэффициент размножения нейтронов меньше единицы, и реакция затухает.