Номер 5, страница 202 - гдз по физике 11 класс учебник Туякбаев, Насохова

5. Что называется критической массой?

5. Критическая масса — это наименьшее количество делящегося вещества (например, урана-235 или плутония-239), необходимое для начала самоподдерживающейся цепной ядерной реакции.

Суть цепной ядерной реакции заключается в том, что при делении одного атомного ядра, инициированном нейтроном, освобождаются новые нейтроны (обычно 2-3). Эти новые нейтроны, в свою очередь, могут вызвать деление других ядер, что приводит к экспоненциальному росту числа делений, если для этого созданы подходящие условия.

Для количественной характеристики цепной реакции используется коэффициент размножения нейтронов $\text{k}$ — это среднее число нейтронов, вызвавших деление ядер, в расчете на один нейтрон из предыдущего поколения. В зависимости от значения этого коэффициента, которое напрямую связано с массой и формой делящегося вещества, возможны три режима:

1. Подкритическое состояние ($k < 1$): Масса вещества меньше критической. В этом случае количество нейтронов, теряемых в результате вылета за пределы вещества или поглощения без деления, превышает количество вновь образующихся нейтронов. Любая начавшаяся цепная реакция быстро затухает.

2. Критическое состояние ($k = 1$): Масса вещества равна критической. В этом режиме количество рождающихся нейтронов в среднем равно количеству теряемых нейтронов. Цепная реакция становится самоподдерживающейся и протекает с постоянной интенсивностью (мощностью). Этот принцип используется для управляемого выделения энергии в ядерных реакторах.

3. Надкритическое состояние ($k > 1$): Масса вещества превышает критическую. Число нейтронов от поколения к поколению лавинообразно нарастает. Скорость реакции очень быстро увеличивается, что приводит к выделению огромного количества энергии за короткое время — к ядерному взрыву.

Величина критической массы зависит от нескольких факторов, включая:

• Тип и чистота вещества: для разных изотопов ($^{235}U$, $^{239}Pu$ и т.д.) она разная.

• Плотность вещества: с увеличением плотности критическая масса уменьшается.

• Геометрическая форма: минимальной критической массой обладает шар, так как у него наименьшее отношение площади поверхности к объёму, что минимизирует утечку нейтронов.

• Наличие отражателя нейтронов: оболочка из материала, отражающего нейтроны (например, из бериллия), возвращает часть вылетающих нейтронов обратно в активную зону, что позволяет существенно снизить критическую массу.

Ответ: Критической массой называется наименьшая масса делящегося вещества, при которой возможна самоподдерживающаяся цепная ядерная реакция (когда коэффициент размножения нейтронов $k = 1$).