Номер 1, страница 339 - гдз по физике 11 класс учебник Мякишев, Буховцев

Вопросы к параграфу. Параграф 89. Ядерный реактор. Глава 12. Физика атомного ядра - номер 1, страница 339.

Условие.

1. Что такое критическая масса?

Решение.

Решение 2.

1. Что такое критическая масса?

Критическая масса — это наименьшая масса делящегося вещества (например, урана-235 или плутония-239), необходимая для начала и поддержания самоподдерживающейся цепной ядерной реакции.

В основе этого явления лежит процесс деления атомных ядер. Когда ядро тяжелого элемента поглощает нейтрон, оно может разделиться на два или более легких ядра (осколки деления). При этом высвобождается огромное количество энергии и, что самое важное, несколько новых нейтронов (обычно 2-3). Эти новые нейтроны могут вызвать деление других ядер, запуская цепную реакцию. Однако не все испущенные нейтроны вызывают последующие деления. Часть из них может либо покинуть объем делящегося вещества, не столкнувшись с другими ядрами, либо быть поглощенной ядрами примесей или самими делящимися ядрами без последующего деления.

Для того чтобы реакция стала самоподдерживающейся, необходимо, чтобы в среднем хотя бы один из нейтронов, образовавшихся в результате акта деления, вызывал новый акт деления. Это условие характеризуется коэффициентом размножения нейтронов $k$. В зависимости от его значения различают три состояния системы: 1. Подкритическое состояние ($k < 1$), когда масса вещества меньше критической. В этом случае количество нейтронов, вызывающих деление, постоянно убывает, и цепная реакция быстро затухает. 2. Критическое состояние ($k = 1$), когда масса вещества равна критической. Число делений ядер в единицу времени постоянно, а цепная реакция является управляемой и стационарной. Этот режим используется для стабильной работы ядерных реакторов. 3. Сверхкритическое состояние ($k > 1$), когда масса вещества превышает критическую. Число нейтронов и, соответственно, число делений лавинообразно нарастает, что приводит к выделению огромного количества энергии за короткое время — происходит ядерный взрыв.

Величина критической массы не является постоянной и зависит от множества факторов, таких как: свойства вещества (тип изотопа, его чистота и химический состав); плотность (с увеличением плотности критическая масса уменьшается, так как ядра располагаются ближе друг к другу и вероятность захвата нейтрона растет); геометрическая форма (наименьшая критическая масса достигается при сферической форме, так как у сферы минимальное отношение площади поверхности к объему, что уменьшает утечку нейтронов); наличие отражателя нейтронов (оболочка из материала, хорошо отражающего нейтроны, например, бериллия, возвращает часть вылетающих нейтронов обратно в активную зону, что позволяет снизить критическую массу).

Например, для чистого урана-235 в форме шара критическая масса составляет около 47 кг (диаметр примерно 17 см), а для плутония-239 — около 10 кг (диаметр около 10 см).

Ответ: Критическая масса — это наименьшая масса делящегося вещества, при которой в нём может протекать самоподдерживающаяся цепная ядерная реакция деления, характеризующаяся коэффициентом размножения нейтронов, равным единице ($k=1$).