Номер 11.161, страница 228 - гдз по физике 11 класс сборник задач Заболотский, Комиссаров

Квантовая физика. Глава 11. Атомная и ядерная физика. Деление ядер урана. Ядерный реактор - номер 11.161, страница 228.

Условие.

11.161. Какие нейтроны называются тепловыми? Как можно эффективно замедлить нейтроны?

Решение.

Какие нейтроны называются тепловыми?

Тепловыми нейтронами называют свободные нейтроны, которые находятся в тепловом равновесии с окружающей средой. Это означает, что их кинетическая энергия сопоставима со средней энергией теплового движения атомов или молекул вещества, в котором они находятся. При комнатной температуре (около 300 К или 27°C) средняя кинетическая энергия тепловых нейтронов составляет приблизительно $E_{кин} \approx k_B T \approx 0,025$ эВ (электрон-вольт), где $k_B$ — постоянная Больцмана, а $\text{T}$ — абсолютная температура среды. Такие нейтроны играют ключевую роль в цепных ядерных реакциях, так как вероятность захвата теплового нейтрона ядром урана-235 с последующим делением значительно выше, чем для быстрых нейтронов, образующихся в результате деления.

Ответ: Тепловые нейтроны — это нейтроны, находящиеся в тепловом равновесии со средой, их кинетическая энергия при комнатной температуре составляет около 0,025 эВ.

Как можно эффективно замедлить нейтроны?

Нейтроны эффективно замедляют в процессе, называемом термализацией или модерацией. Этот процесс заключается в многократных упругих столкновениях быстрых нейтронов с ядрами атомов вещества-замедлителя. Эффективность замедления зависит от двух основных факторов:
1. Массы ядер замедлителя. Наибольшая передача энергии от нейтрона к ядру происходит, когда их массы близки. Масса нейтрона составляет примерно 1 атомную единицу массы (а.е.м.), поэтому наилучшими замедлителями являются вещества, содержащие лёгкие ядра (например, водород).
2. Вероятности взаимодействия. Вещество-замедлитель должно иметь большое сечение рассеяния (высокую вероятность столкновения) и малое сечение поглощения (низкую вероятность захвата нейтрона ядром).
Исходя из этих требований, наиболее эффективными замедлителями являются:
- Обычная (лёгкая) вода (H₂O): содержит ядра водорода (протоны), масса которых почти равна массе нейтрона. Это дешёвый и доступный замедлитель.
- Тяжёлая вода (D₂O): содержит ядра дейтерия, которые также хорошо замедляют нейтроны, но, в отличие от протонов, значительно реже их поглощают. Это делает тяжёлую воду более эффективным замедлителем, хотя она и дороже.
- Графит (углерод): ядра углерода тяжелее ядер водорода, поэтому для замедления требуется больше столкновений. Однако графит имеет очень низкую способность поглощать нейтроны и устойчив при высоких температурах.
- Бериллий (Be): также является хорошим замедлителем, но он токсичен и дорог.

Ответ: Эффективно замедлить нейтроны можно с помощью веществ-замедлителей, содержащих лёгкие ядра (например, водорода, дейтерия, углерода), с которыми нейтроны упруго сталкиваются, теряя свою кинетическую энергию. Наиболее распространёнными замедлителями являются вода, тяжёлая вода и графит.