Номер 7, страница 168 - гдз по физике 11 класс учебник Закирова, Аширов

7. Что называют критической массой?

7. Критическая масса — это наименьшая масса делящегося вещества, при которой в нём может протекать самоподдерживающаяся цепная ядерная реакция.

Чтобы понять это определение, нужно рассмотреть процесс цепной реакции. Он начинается, когда ядро делящегося материала (например, урана-235, $U^{235}$, или плутония-239, $Pu^{239}$) захватывает нейтрон. В результате ядро становится нестабильным и практически мгновенно распадается на два (реже три) более лёгких ядра, которые называют осколками деления. Во время этого процесса высвобождается значительное количество энергии, а также испускается от двух до трёх новых нейтронов.

Дальнейшее развитие реакции зависит от того, что произойдет с этими новыми нейтронами. Возможны несколько сценариев:
1. Нейтрон покидает образец вещества, не взаимодействуя с другими ядрами.
2. Нейтрон поглощается ядром, но не вызывает его деления (например, ядром примеси или ядром того же урана, но другого изотопа, как $U^{238}$).
3. Нейтрон поглощается другим ядром делящегося вещества и вызывает новый акт деления.

Для того чтобы цепная реакция стала самоподдерживающейся, необходимо, чтобы в среднем хотя бы один нейтрон из каждого акта деления вызывал следующее деление. Это условие описывается с помощью коэффициента размножения нейтронов $\text{k}$, который равен отношению числа нейтронов последующего поколения к числу нейтронов предыдущего поколения.

В зависимости от значения этого коэффициента, которое напрямую связано с массой вещества, различают три состояния:
• Подкритическое состояние ($k < 1$): масса вещества меньше критической. Большинство нейтронов теряется (вылетает из образца или поглощается без деления), и цепная реакция быстро затухает.
• Критическое состояние ($k = 1$): масса вещества равна критической. Число делений ядер в единицу времени постоянно. Реакция становится управляемой и самоподдерживающейся. Этот режим работы используется в ядерных реакторах для получения энергии.
• Надкритическое состояние ($k > 1$): масса вещества больше критической. Число нейтронов и, соответственно, число делений, лавинообразно нарастает. Это приводит к экспоненциальному росту выделения энергии, то есть к ядерному взрыву.

Величина критической массы не является постоянной и зависит от множества факторов, среди которых:
- Изотопный состав: разные делящиеся нуклиды ($U^{233}$, $U^{235}$, $Pu^{239}$) имеют разную критическую массу.
- Плотность вещества: при сжатии вещества ядра сближаются, вероятность утечки нейтронов снижается, и критическая масса уменьшается.
- Геометрическая форма: наименьшую критическую массу имеет вещество сферической формы, так как сфера обладает минимальной площадью поверхности при заданном объёме, что минимизирует утечку нейтронов.
- Наличие отражателя нейтронов: если окружить делящееся вещество оболочкой из материала, хорошо отражающего нейтроны (например, бериллия или карбида вольфрама), часть вылетающих нейтронов вернется обратно в активную зону, что позволит снизить критическую массу.

Ответ: Критической массой называют наименьшую массу делящегося вещества, необходимую для возникновения и поддержания самоподдерживающейся цепной ядерной реакции, при которой коэффициент размножения нейтронов равен единице.