Номер 15, страница 34, часть 2 - гдз по физике 9 класс учебник Генденштейн, Булатова

Часть 2. Квантовая физика. Глава VI. Атомное ядро и ядерная энергетика. Параграф 26. Ядерные реакции. Ядерная энергетика - номер 15, страница 34.

Условие.

15. Нарисуйте в тетради схему цепной ядерной реакции. Опишите особенности её протекания.

Решение.

Схема цепной ядерной реакции

Цепная ядерная реакция — это самоподдерживающийся процесс деления тяжелых атомных ядер, в котором частицы, вызывающие реакцию (нейтроны), образуются как продукты этой же реакции.

Схематически этот процесс можно описать на примере деления ядра урана-235 ($^{235}_{92}U$). Процесс начинается, когда один нейтрон ($^{1}_{0}n$) сталкивается с ядром урана. Ядро поглощает нейтрон, становится нестабильным ($^{236}_{92}U^*$) и практически мгновенно распадается на два более легких ядра-осколка (например, барий $^{141}_{56}Ba$ и криптон $^{92}_{36}Kr$) и 2-3 новых нейтрона. Эти новорожденные нейтроны, в свою очередь, могут столкнуться с другими ядрами урана-235, вызывая их деление. Каждое такое последующее деление порождает новые нейтроны, и процесс разветвляется, лавинообразно нарастая, если для этого созданы необходимые условия. Этот разветвленный процесс и является цепной реакцией.

Уравнение одной из возможных реакций деления урана-235 выглядит так:

$^{1}_{0}n + ^{235}_{92}U \rightarrow ^{141}_{56}Ba + ^{92}_{36}Kr + 3^{1}_{0}n + Q$

Здесь $\text{Q}$ — это огромное количество энергии, выделяющееся при реакции.

Ответ: Схема цепной ядерной реакции представляет собой процесс, где нейтрон, попадая в ядро делящегося вещества (например, урана-235), вызывает его распад с образованием осколков, новых нейтронов и выделением энергии. Эти новые нейтроны продолжают реакцию, взаимодействуя с другими ядрами, создавая самоподдерживающийся или лавинообразно нарастающий процесс.

Особенности протекания цепной ядерной реакции

Протекание цепной ядерной реакции характеризуется несколькими ключевыми особенностями.

Выделение огромного количества энергии. При каждом акте деления ядра высвобождается энергия порядка 200 МэВ. Это в миллионы раз больше энергии, выделяющейся в химических реакциях (например, при сгорании атома углерода выделяется всего около 4 эВ).

Необходимость критической массы. Для поддержания цепной реакции масса делящегося вещества должна превышать определенное значение, называемое критической массой. В образце меньшей массы слишком много нейтронов покидает его, не успев вызвать новые деления, и реакция затухает.

Коэффициент размножения нейтронов ($\text{k}$). Этот параметр определяет режим протекания реакции. Он показывает среднее число нейтронов, вызывающих деление в следующем поколении, на один нейтрон, вызвавший деление в предыдущем. При $k < 1$ реакция затухает (подкритический режим). При $k = 1$ реакция идет со стационарной скоростью (критический режим), что используется в атомных электростанциях. При $k > 1$ скорость реакции экспоненциально растет, что приводит к взрыву (надкритический режим), используемый в атомном оружии.

Возможность управления. Цепной реакцией можно управлять, изменяя коэффициент размножения нейтронов. В ядерных реакторах для этого используют управляющие стержни из материалов, поглощающих нейтроны (бор, кадмий), и замедлители (вода, графит), которые повышают эффективность деления ядер урана-235 медленными нейтронами.

Образование радиоактивных продуктов. Осколки деления, как правило, являются нестабильными радиоактивными изотопами с различными периодами полураспада, что обуславливает радиоактивность отработанного ядерного топлива и проблему его утилизации.

Ответ: Особенностями протекания цепной ядерной реакции являются выделение колоссального количества энергии, необходимость наличия критической массы делящегося вещества, зависимость характера реакции от коэффициента размножения нейтронов, возможность управления процессом и образование радиоактивных продуктов деления.