Номер 11.162, 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 11.162, страница 228.

Условие.

11.162. Почему вещества, занимающие места в середине и конце таблицы Д. И. Менделеева, не применяются в качестве замедлителей нейтронов?

Решение.

Замедление нейтронов, необходимых для поддержания цепной реакции в ядерном реакторе, происходит в результате их упругих столкновений с ядрами вещества-замедлителя. Эффективность этого процесса зависит от двух ключевых факторов.

1. Эффективность передачи энергии при столкновении. Согласно законам сохранения энергии и импульса для упругого удара, максимальная доля кинетической энергии передается от налетающей частицы к покоящейся мишени, когда их массы максимально близки. Масса нейтрона ($m_n$) очень мала, она составляет примерно одну атомную единицу массы. Чтобы нейтрон при столкновении терял как можно больше энергии, масса ядра замедлителя ($\text{M}$) должна быть как можно ближе к массе нейтрона. Доля теряемой нейтроном энергии ($\Delta E_{кин}$) при центральном (лобовом) упругом столкновении с покоящимся ядром описывается соотношением:$$ \frac{\Delta E_{кин}}{E_{кин}} = \frac{4 m_n M}{(m_n + M)^2} $$Из этой формулы видно, что если масса ядра-мишени намного больше массы нейтрона ($M \gg m_n$), как у элементов в середине и конце таблицы Менделеева (например, железо, свинец), то $\Delta E_{кин}$ будет очень малой. Нейтрон будет отскакивать от тяжелого ядра, почти не теряя своей скорости, что делает процесс замедления крайне неэффективным. Для эффективного замедления нужны легкие элементы, такие как водород, дейтерий или углерод.

2. Вероятность поглощения (захвата) нейтрона. Важнейшее требование к замедлителю — он не должен поглощать нейтроны, которые необходимы для деления ядер урана. Эта способность характеризуется сечением поглощения. Многие элементы из середины и конца таблицы Менделеева имеют значительные сечения поглощения нейтронов, то есть они с высокой вероятностью захватывают пролетающий нейтрон, выводя его из цепной реакции. Идеальные замедлители (тяжелая вода, графит) имеют очень низкое сечение поглощения. Элементы же в самом конце таблицы (уран, плутоний) являются топливом — они поглощают нейтроны для последующего деления, а не для замедления.

Ответ: Вещества, занимающие места в середине и конце таблицы Д. И. Менделеева, не применяются в качестве замедлителей нейтронов по двум причинам: 1) их ядра слишком массивны по сравнению с нейтроном, из-за чего при столкновениях нейтрон теряет очень малую часть своей энергии и процесс замедления становится неэффективным; 2) многие из этих веществ имеют высокую вероятность поглощения нейтронов, что приводит к их потере для цепной реакции.