Номер 5, страница 131, часть 2 - гдз по физике 11 класс учебник Туякбаев, Насохова

5. Что называется критической массой?

5. Что называется критической массой?

Критическая масса — это наименьшая масса делящегося вещества (например, урана-235 или плутония-239), при которой в нём может протекать самоподдерживающаяся цепная ядерная реакция.

Процесс цепной реакции основан на том, что при делении одного атомного ядра испускается несколько нейтронов (в среднем 2-3), которые, в свою очередь, могут вызвать деление других ядер. Чтобы реакция стала самоподдерживающейся, необходимо, чтобы в среднем хотя бы один из этих новых нейтронов вызвал следующее деление. Этот процесс характеризуется коэффициентом размножения нейтронов $\text{k}$.

В зависимости от массы вещества и коэффициента $\text{k}$ различают три состояния:

- Если масса вещества меньше критической (докритическое состояние), то большинство нейтронов, образующихся при делении ядер, вылетает за пределы вещества, не успев вызвать новые деления. В этом случае коэффициент размножения нейтронов $k < 1$, и цепная реакция быстро затухает.

- Если масса вещества равна критической (критическое состояние), то количество нейтронов, вызывающих новые деления, в среднем равно количеству нейтронов, покидающих вещество или поглощаемых без деления. Коэффициент размножения нейтронов $k = 1$. Цепная реакция протекает с постоянной интенсивностью. Этот режим используется в ядерных реакторах для управляемой выработки энергии.

- Если масса вещества больше критической (надкритическое состояние), то число делящихся ядер лавинообразно нарастает. Коэффициент размножения нейтронов $k > 1$, что приводит к экспоненциальному росту мощности реакции и, как следствие, к ядерному взрыву.

Величина критической массы не является постоянной для вещества, а зависит от ряда факторов:

- Тип вещества: разные изотопы (например, $^{235}U$ и $^{239}Pu$) имеют разную вероятность деления при захвате нейтрона, поэтому их критические массы различаются.

- Плотность: чем выше плотность вещества, тем меньше расстояние между ядрами и тем выше вероятность того, что нейтрон вызовет деление до того, как покинет образец. Увеличение плотности снижает критическую массу.

- Геометрическая форма: наименьшей критической массой обладает образец сферической формы, так как сфера имеет минимальную площадь поверхности при заданном объеме, что уменьшает утечку нейтронов через поверхность.

- Наличие отражателя нейтронов: оболочка из материала, который отражает нейтроны (например, бериллий, тяжёлая вода или графит), возвращает часть вылетающих нейтронов обратно в делящееся вещество, что также снижает критическую массу.

Ответ: Критической массой называется наименьшая масса делящегося вещества, необходимая для начала самоподдерживающейся цепной ядерной реакции, при которой коэффициент размножения нейтронов равен единице ($k=1$).