Номер А15, страница 129 - гдз по физике 9 класс учебник Кабардин

А15. Цепная реакция деления ядер урана оказывается возможной только в достаточно большом количестве урана (критическая масса) потому, что если масса используемого урана меньше критической, то из-за малых размеров атомных ядер

1) большинство осколков ядер вылетает из используемого урана, не попав ни в одно из ядер урана

2) большинство освобождающихся при делении альфа-частиц вылетает из используемого урана, не попав ни в одно из ядер урана

3) большинство освобождающихся при делении гамма-квантов вылетает из используемого урана, не попав ни в одно из ядер урана

4) большинство освобождающихся при делении нейтронов вылетает из используемого урана, не попав ни в одно из ядер урана

Для того чтобы понять, почему цепная реакция деления ядер урана возможна только при достижении критической массы, необходимо рассмотреть сам механизм этой реакции и факторы, влияющие на ее развитие.

Решение

Цепная ядерная реакция — это самоподдерживающийся процесс, в котором деление одного атомного ядра инициирует деление других ядер. В случае урана этот процесс происходит следующим образом:

1. Нейтрон попадает в ядро урана-235.
2. Ядро поглощает нейтрон, переходит в возбужденное состояние и делится на два более легких ядра, называемых осколками деления.
3. В процессе деления выделяется значительное количество энергии и, что является ключевым для цепной реакции, испускается несколько (в среднем 2-3) новых нейтронов.
4. Эти новые нейтроны могут, в свою очередь, вызвать деление других ядер урана, продолжая и умножая процесс.

Чтобы реакция стала самоподдерживающейся, необходимо, чтобы в среднем хотя бы один из нейтронов, испущенных в результате одного акта деления, вызывал следующий акт деления. Этот баланс описывается коэффициентом размножения нейтронов $\text{k}$.
- Если $k < 1$, количество делений со временем уменьшается, и реакция затухает (подкритическое состояние).
- Если $k = 1$, реакция протекает с постоянной скоростью (критическое состояние).
- Если $k > 1$, количество делений лавинообразно нарастает (надкритическое состояние).

Судьба нейтрона, родившегося в образце урана, может быть разной: он может вызвать новое деление, может быть поглощен ядром без деления, а может вылететь за пределы образца, не провзаимодействовав. Последний фактор — вылет нейтронов из вещества — является решающим для понимания концепции критической массы.

В образце урана малого размера (с массой меньше критической) отношение площади поверхности к объему является большим. Нейтроны, которые рождаются в объеме вещества, имеют высокую вероятность достичь поверхности и покинуть образец, прежде чем они успеют столкнуться с другим ядром урана и вызвать его деление. В этом случае потери нейтронов за счет вылета превышают их "рождаемость" в новых актах деления. В результате коэффициент размножения $\text{k}$ оказывается меньше единицы, и цепная реакция невозможна.

С увеличением массы (и, соответственно, размера) образца его объем растет быстрее ($V \sim L^3$), чем площадь поверхности ($S \sim L^2$). Это означает, что для нейтрона средний путь до поверхности удлиняется, и вероятность столкновения с ядром урана внутри образца возрастает. Критическая масса — это та минимальная масса, при которой количество рождающихся в реакции нейтронов становится равным количеству теряемых нейтронов (за счет вылета и захвата без деления), то есть $k=1$.

Теперь проанализируем предложенные варианты ответа:

1) большинство осколков ядер вылетает из используемого урана, не попав ни в одно из ядер урана
Это утверждение неверно. Осколки деления — это тяжелые, сильно заряженные ядра, которые обладают очень малой длиной пробега в твердом веществе. Они быстро тормозятся, передавая свою энергию окружающим атомам, и не могут покинуть образец сколько-нибудь значимого размера. Они не участвуют в поддержании цепной реакции.

2) большинство освобождающихся при делении альфа-частиц вылетает из используемого урана, не попав ни в одно из ядер урана
Это утверждение неверно. Во-первых, при делении урана-235 под действием нейтронов альфа-частицы (ядра гелия) практически не образуются. Во-вторых, даже если бы они появлялись, они, как и осколки деления, являются заряженными частицами и имеют короткий пробег в веществе. Цепная реакция поддерживается нейтронами, а не альфа-частицами.

3) большинство освобождающихся при делении гамма-квантов вылетает из используемого урана, не попав ни в одно из ядер урана
Это утверждение неверно. Хотя гамма-кванты (фотоны высокой энергии) действительно образуются при делении и обладают высокой проникающей способностью, они не вызывают деления ядер урана-235. Частицами, которые поддерживают цепную реакцию деления урана, являются нейтроны.

4) большинство освобождающихся при делении нейтронов вылетает из используемого урана, не попав ни в одно из ядер урана
Это утверждение верно. В образце урана, масса которого меньше критической, большинство нейтронов, образующихся в редких актах деления, действительно покидает образец, не успев вызвать новые деления. Это приводит к тому, что коэффициент размножения нейтронов $\text{k}$ становится меньше единицы, и цепная реакция затухает. Именно это явление и определяет существование критической массы.

Ответ: 4