Ответьте на вопросы, страница 243 - гдз по физике 11 класс учебник Закирова, Аширов

Ответьте на вопросы

1. Почему реакция деления тяжелых ядер экзотермическая?

2. Почему критическая масса может быть различной для одного и того же ядерного топлива?

3. Почему в природных залежах урана не происходят цепные реакции?

1. Почему реакция деления тяжелых ядер экзотермическая?
Реакция деления тяжелых ядер является экзотермической, то есть протекает с выделением энергии, из-за разницы в удельной энергии связи нуклонов в исходном ядре и в ядрах-осколках. Удельная энергия связи — это энергия, приходящаяся на один нуклон (протон или нейтрон) в ядре, и она характеризует стабильность ядра. Наиболее стабильными являются ядра элементов из середины таблицы Менделеева (например, железо), у которых удельная энергия связи максимальна. У очень тяжелых ядер, таких как уран, удельная энергия связи меньше, чем у их возможных осколков деления (например, бария и криптона).
При делении тяжелого ядра на два (или более) более легких ядра-осколка, нуклоны в этих осколках оказываются связаны сильнее, чем в исходном ядре. Это означает, что суммарная масса продуктов деления (осколков и свободных нейтронов) оказывается меньше массы исходного тяжелого ядра и нейтрона, вызвавшего деление. Эта разница в массе, называемая дефектом масс ($ \Delta m $), не исчезает, а превращается в энергию ($\text{E}$) в соответствии со знаменитой формулой Эйнштейна: $ E = \Delta m c^2 $, где $\text{c}$ — скорость света. Высвободившаяся энергия проявляется в виде кинетической энергии разлетающихся осколков и нейтронов, а также в виде гамма-излучения. Поскольку энергия выделяется в окружающую среду, процесс и называется экзотермическим.

Ответ: Реакция деления тяжелых ядер экзотермическая, потому что суммарная масса продуктов реакции (ядер-осколков) меньше массы исходного ядра. Этот дефект массы преобразуется в энергию, которая выделяется в ходе реакции.

2. Почему критическая масса может быть различной для одного и того же ядерного топлива?
Критическая масса — это наименьшая масса делящегося вещества, при которой возможна самоподдерживающаяся цепная ядерная реакция. В этом состоянии количество нейтронов, вызывающих новые деления, равно количеству нейтронов, теряемых в результате вылета из объёма вещества или поглощения без деления (коэффициент размножения нейтронов равен 1). Величина критической массы для одного и того же ядерного топлива (например, урана-235 или плутония-239) не является постоянной и зависит от нескольких факторов:
1. Геометрия (форма): Наименьшую критическую массу имеет вещество сферической формы. Сфера обладает минимальной площадью поверхности при заданном объёме, что снижает утечку нейтронов через поверхность. Для любой другой формы (например, куба, цилиндра или плоского листа) площадь поверхности при том же объёме будет больше, утечка нейтронов — сильнее, и, следовательно, критическая масса — выше.
2. Плотность: При увеличении плотности делящегося вещества атомы сближаются, и вероятность того, что нейтрон столкнется с ядром и вызовет деление до того, как покинет вещество, возрастает. Таким образом, чем выше плотность, тем меньше критическая масса. Этот принцип используется в имплозивных ядерных боеприпасах.
3. Наличие отражателя нейтронов: Если делящееся вещество окружить материалом, который отражает нейтроны (например, бериллием, графитом или тяжёлой водой), часть нейтронов, которые могли бы покинуть активную зону, вернется обратно и сможет участвовать в цепной реакции. Это снижает потери нейтронов и, как следствие, уменьшает критическую массу.
4. Чистота и изотопный состав: Присутствие примесей, особенно веществ, хорошо поглощающих нейтроны (таких как бор или кадмий), увеличивает потери нейтронов и, соответственно, повышает критическую массу.

Ответ: Критическая масса для одного и того же топлива зависит от условий, влияющих на баланс нейтронов: формы (геометрии) образца, его плотности, наличия или отсутствия материалов-отражателей нейтронов, а также чистоты топлива.

3. Почему в природных залежах урана не происходят цепные реакции?
В настоящее время цепные реакции в природных залежах урана не происходят по двум основным причинам, связанным с изотопным составом природного урана и поведением нейтронов.
1. Низкая концентрация урана-235: Природный уран состоит в основном из двух изотопов: урана-238 ($ \approx 99,27\% $) и урана-235 ($ \approx 0,72\% $). Для поддержания цепной реакции необходим изотоп уран-235, так как он эффективно делится под действием нейтронов любой энергии, особенно медленных (тепловых). Однако его концентрация в природном уране слишком мала. Большинство нейтронов, образующихся при случайном делении, сталкиваются с ядрами урана-238.
2. Поглощение нейтронов ураном-238: Ядро урана-238 способно делиться только под действием очень быстрых нейтронов (с энергией более 1 МэВ). Нейтроны, рождающиеся в реакции деления, имеют разную энергию, и многие из них недостаточно быстры, чтобы вызвать деление урана-238. Более того, уран-238 имеет свойство активно поглощать нейтроны средних энергий без последующего деления (радиационный захват), превращаясь в уран-239. Этот процесс эффективно удаляет нейтроны из возможной цепной реакции, не давая им замедлиться до тепловых скоростей, при которых они могли бы эффективно делить редкие ядра урана-235.
Для запуска цепной реакции в уране с низкой концентрацией урана-235 (как в ядерных реакторах) необходимо наличие замедлителя (например, воды или графита), который эффективно замедлял бы нейтроны до тепловых энергий, и достаточно высокая концентрация самого урана. В современных природных залежах такие условия одновременно не выполняются.
Стоит отметить, что в далеком прошлом (около 2 миллиардов лет назад) ситуация была иной. Концентрация урана-235 была выше (около 3,7%), так как он распадается быстрее, чем уран-238. В некоторых местах, например, в районе Окло в Габоне (Африка), сложились уникальные условия (высокая концентрация урана, наличие грунтовых вод в качестве замедлителя), которые привели к возникновению природных ядерных реакторов, работавших в течение сотен тысяч лет.

Ответ: В природных залежах урана цепные реакции не происходят, потому что концентрация делящегося изотопа уран-235 (около 0,72%) слишком низка, а преобладающий изотоп уран-238 поглощает нейтроны, не давая реакции развиться.