Номер 3, страница 117 - гдз по физике 9 класс учебник Кабардин

3. Почему цепная реакция деления осуществляется в уране, но не осуществляется в большинстве других веществ?

3. Цепная реакция деления — это самоподдерживающийся процесс, в котором деление одного атомного ядра инициирует деление других ядер. Этот процесс возможен только в очень ограниченном числе веществ, и уран является одним из них, по нескольким ключевым причинам.

1. Энергетическая выгодность деления. Деление с выделением энергии возможно только для тяжелых ядер. Это связано с зависимостью удельной энергии связи (энергии, приходящейся на один нуклон в ядре) от массового числа. У самых тяжелых элементов, таких как уран, удельная энергия связи меньше, чем у элементов в середине таблицы Менделеева (например, бария и криптона, которые являются типичными продуктами деления). Когда тяжелое ядро урана ($^{235}$U) делится на два более легких осколка, суммарная масса продуктов реакции оказывается меньше массы исходного ядра. Эта разница в массе, согласно знаменитой формуле Эйнштейна $E=mc^2$, превращается в огромное количество энергии. У легких и средних по массе ядер, наоборот, удельная энергия связи растет с увеличением массы, поэтому их деление требует затрат энергии, а не высвобождает ее.

2. Наличие делящихся изотопов (фиссильность). Не все тяжелые ядра способны к цепной реакции. Ключевым свойством является способность делиться при захвате медленного (теплового) нейтрона. Такие изотопы называются делящимися или расщепляющимися (англ. fissile). Ядро урана-235 ($^{235}$U) является основным природным изотопом, обладающим этим свойством. При захвате медленного нейтрона оно превращается в крайне нестабильное возбужденное ядро урана-236 ($^{236}$U*), которое почти мгновенно распадается на два осколка. Большинство других элементов и даже основной изотоп урана — уран-238 ($^{238}$U), составляющий более 99% природного урана, — не способны эффективно делиться под действием медленных нейтронов. Уран-238 может делиться только под действием быстрых нейтронов, но с меньшей вероятностью, и чаще он просто захватывает нейтрон, не делясь.

3. Выделение нейтронов для продолжения реакции. Для поддержания цепной реакции необходимо, чтобы каждый акт деления порождал новые частицы, способные вызвать последующие деления. При делении ядра урана-235 высвобождается не только энергия, но и, в среднем, 2-3 новых нейтрона (в среднем около 2.5). Эти вторичные нейтроны могут, в свою очередь, быть захвачены другими ядрами $^{235}$U, вызывая их деление и поддерживая цепную реакцию. Если коэффициент размножения нейтронов (среднее число нейтронов от одного акта деления, вызывающих новые деления) больше или равен единице, реакция становится самоподдерживающейся. В большинстве других веществ при ядерных реакциях либо не выделяются нейтроны, либо выделяется недостаточное их количество для поддержания цепи.

Таким образом, цепная реакция деления осуществляется в уране (точнее, в его изотопе $^{235}$U) благодаря уникальному сочетанию трех факторов: тяжелое ядро, деление которого энергетически выгодно; способность эффективно делиться при захвате медленного нейтрона; и выделение достаточного количества вторичных нейтронов для поддержания реакции. Большинство других веществ не обладают одним или несколькими из этих необходимых свойств.

Ответ: Цепная реакция деления осуществляется в уране, потому что его изотоп уран-235 обладает уникальным набором свойств: 1) будучи тяжелым ядром, его деление на более легкие осколки энергетически выгодно и сопровождается выделением огромной энергии; 2) он способен делиться при поглощении медленных нейтронов, которые легко получить в реакторе; 3) при каждом акте деления высвобождается в среднем более двух новых нейтронов, что позволяет реакции самоподдерживаться. Большинство других элементов не имеют ядер, которые бы делились с выделением энергии при захвате нейтрона и при этом испускали бы достаточное количество вторичных нейтронов для поддержания цепного процесса.