Номер 11.172, страница 229 - гдз по физике 11 класс сборник задач Заболотский, Комиссаров

Квантовая физика. Глава 11. Атомная и ядерная физика. Деление ядер урана. Ядерный реактор - номер 11.172, страница 229.

Условие.

11.172. На рисунке 11.15 показана схема возможного устройства атомной бомбы (такая схема была реализована в атомной бомбе, сброшенной на Хиросиму в 1945 г.). Объясните назначение основных узлов бомбы и принцип её действия.

Рис. 11.15

Решение.

В основе действия атомной бомбы, схема которой представлена на рисунке, лежит неуправляемая цепная реакция деления тяжелых ядер урана-235. Для возникновения такой реакции необходимо, чтобы масса делящегося вещества превысила критическую массу.

Назначение основных узлов бомбы

В данной конструкции, известной как "пушечная схема", ядерный заряд разделен на две части, масса каждой из которых меньше критической. Это обеспечивает безопасность бомбы до момента ее применения.

• Уран ${}_{92}^{235}\text{U}$: Это делящееся вещество, основной компонент ядерного заряда. В бомбе он разделен на две части (в виде "пули" и "мишени"), каждая из которых имеет докритическую массу. При их соединении образуется сверхкритическая масса, в которой возможна самоподдерживающаяся цепная реакция.
• Взрывчатое вещество и Детонатор: Это обычное химическое взрывчатое вещество. Его назначение — не создание основного взрыва, а выполнение функции порохового заряда в пушке. При срабатывании детонатора взрывчатое вещество подрывается, и силой взрыва одна часть уранового заряда ("пуля") выстреливается в другую ("мишень").
• Источник первичных нейтронов: Это устройство (часто на основе полония и бериллия), которое в нужный момент испускает начальные нейтроны, запускающие ("инициирующие") цепную реакцию деления. Он срабатывает в момент соединения двух частей урана в единую сверхкритическую массу.
• Отражатель нейтронов (тампер): Это оболочка из тяжелого материала (например, карбида вольфрама или природного урана ${}_{92}^{238}\text{U}$), окружающая ядерный заряд. Он выполняет две важные функции:
  1. Отражает часть нейтронов, вылетающих из зоны реакции, обратно в урановый заряд, что повышает эффективность реакции и позволяет уменьшить критическую массу.
  2. Благодаря своей инертности, он удерживает сверхкритическую массу от преждевременного разлета, позволяя прореагировать большей части ядер урана и, следовательно, увеличить мощность взрыва.

Ответ: Основные узлы бомбы включают делящееся вещество (уран-235), разделенное на докритические части; систему их соединения на основе обычной взрывчатки (детонатор и взрывчатое вещество); источник нейтронов для запуска реакции и отражатель нейтронов для повышения ее эффективности и мощности.

Принцип её действия

Принцип действия бомбы основан на сверхбыстром переводе ядерного заряда из подкритического состояния в сверхкритическое с одновременным инициированием цепной реакции.

Процесс происходит в следующей последовательности:

1. По сигналу высотомера или таймера срабатывает детонатор.
2. Детонатор инициирует подрыв взрывчатого вещества.
3. Энергия взрыва, подобно выстрелу из пушки, с огромной скоростью вгоняет одну докритическую часть урана ("пулю") в другую ("мишень").
4. Две части урана соединяются, образуя единую массу, значительно превышающую критическую (сверхкритическую массу).
5. В момент соединения источник первичных нейтронов испускает нейтроны, которые инициируют цепную реакцию деления ядер урана-235.
6. Происходит деление первого ядра: ${}_{92}^{235}\text{U} + n \rightarrow \text{осколки деления} + (2-3)n + \text{энергия}$.
7. Образовавшиеся 2-3 новых нейтрона вызывают деление следующих ядер, количество делящихся ядер и выделяющейся энергии нарастает лавинообразно. Отражатель нейтронов возвращает в зону реакции вылетающие нейтроны, ускоряя этот процесс.
8. За очень короткое время (доли микросекунды) выделяется огромное количество энергии, что приводит к ядерному взрыву колоссальной мощности.

Ответ: Принцип действия заключается в подрыве обычного взрывчатого вещества, которое соединяет две докритические массы урана-235 в одну сверхкритическую. В момент соединения источник нейтронов запускает неуправляемую цепную реакцию деления ядер, что приводит к высвобождению огромного количества энергии и ядерному взрыву.