Номер 5, страница 244 - гдз по физике 11 класс учебник Закирова, Аширов

5. Что называют критической массой?

Критическая масса — это фундаментальное понятие в ядерной физике, обозначающее наименьшее количество делящегося вещества, при котором в нём может начаться и поддерживаться самоподдерживающаяся цепная ядерная реакция.

В основе этого явления лежит процесс деления тяжелых атомных ядер (например, урана-235 или плутония-239) при поглощении ими нейтрона. В результате такого деления ядро распадается на два более легких осколка, при этом высвобождается большое количество энергии и несколько (в среднем 2-3) новых нейтронов. Эти новорожденные нейтроны могут, в свою очередь, вызвать деление других ядер, что и создает условия для цепной реакции.

Для количественного описания развития цепной реакции используют коэффициент размножения нейтронов ($\text{k}$). Этот коэффициент показывает среднее число нейтронов, вызывающих деление ядер, по отношению к числу нейтронов, вызвавших деление в предыдущем поколении. В зависимости от значения этого коэффициента, которое определяется массой, формой и составом вещества, возможны три состояния:

1. Докритическое состояние ($k < 1$). Масса вещества меньше критической. В этом случае большая часть нейтронов теряется — вылетает за пределы образца или поглощается примесями, не вызывая деления. Число делящихся ядер убывает со временем, и цепная реакция быстро затухает.

2. Критическое состояние ($k = 1$). Масса вещества равна критической. В этом режиме количество нейтронов, вызывающих деление, в среднем остается постоянным от поколения к поколению. Ровно один нейтрон из каждого акта деления вызывает следующее деление. Это приводит к стационарной, самоподдерживающейся цепной реакции с постоянным уровнем мощности. Такой режим работы поддерживается в ядерных реакторах для производства энергии.

3. Надкритическое состояние ($k > 1$). Масса вещества превышает критическую. В среднем более одного нейтрона от каждого акта деления вызывают новые деления. Число реакций нарастает лавинообразно (экспоненциально), что приводит к очень быстрому выделению огромного количества энергии за короткое время — к ядерному взрыву.

Величина критической массы не является абсолютной константой для конкретного изотопа, а зависит от множества факторов. Ключевыми из них являются:
• Свойства вещества: тип делящегося изотопа ($^{235}\text{U}$, $^{239}\text{Pu}$ и др.), его чистота и химическая форма.
• Плотность: чем выше плотность вещества, тем меньше критическая масса. Сжатие материала уменьшает расстояние между ядрами, повышая вероятность взаимодействия нейтрона с ядром.
• Геометрическая форма: наименьшей критической массой обладает шар, так как он имеет минимальное отношение площади поверхности к объему, что снижает утечку нейтронов с поверхности.
• Наличие отражателя нейтронов: если делящееся вещество окружить материалом, хорошо отражающим нейтроны (например, бериллием или тяжелой водой), часть нейтронов, которые могли бы покинуть активную зону, вернется обратно и примет участие в реакции. Это позволяет снизить критическую массу.

Ответ: Критической массой называют наименьшую массу делящегося вещества, необходимую для начала и поддержания самоподдерживающейся цепной ядерной реакции, при которой коэффициент размножения нейтронов равен единице ($k=1$).