Номер 1, страница 121 - гдз по физике 9 класс учебник Кабардин

1. Почему в природном уране цепная реакция деления не осуществляется сама собой?

Цепная реакция деления в природном уране не происходит самопроизвольно по двум взаимосвязанным причинам, которые обусловлены его изотопным составом и физикой взаимодействия нейтронов с ядрами.

Во-первых, в природном уране крайне низка концентрация делящегося изотопа урана-235 ($^{235}U$). Его доля составляет всего около 0,72%. Основную же массу (около 99,27%) составляет изотоп уран-238 ($^{238}U$). Для возникновения самоподдерживающейся цепной реакции необходимо, чтобы каждый акт деления в среднем вызывал хотя бы один последующий акт деления. Нейтроны, испускаемые при делении, должны с достаточной вероятностью попасть в другое ядро, способное к делению. Из-за малого количества ядер $ ^{235}U $ в природном уране шанс такого события ничтожно мал; подавляющее большинство столкновений нейтронов будет происходить с ядрами $ ^{238}U $.

Во-вторых, свойства самого урана-238 препятствуют развитию реакции. Нейтроны, рождающиеся при делении, являются быстрыми, то есть обладают высокой энергией. Изотоп $ ^{238}U $ способен к делению только под действием таких быстрых нейтронов, но сечение (вероятность) этой реакции невелико. Гораздо более вероятным процессом для нейтронов в широком диапазоне энергий является их поглощение ядром $ ^{238}U $ без деления (так называемый радиационный захват), в результате чего образуется плутоний-239 ($^{239}Pu$). Этот процесс эффективно выводит нейтроны из реакции. В то же время изотоп $ ^{235}U $ наиболее эффективно делится медленными (тепловыми) нейтронами. Однако в куске природной урановой руды нейтроны не успевают замедлиться до тепловых скоростей, так как они с высокой вероятностью поглощаются по пути многочисленными ядрами $ ^{238}U $.

Таким образом, коэффициент размножения нейтронов в природном уране оказывается значительно меньше единицы ($k \ll 1$), что делает невозможным возникновение самоподдерживающейся цепной реакции. Для её запуска необходимо либо искусственно увеличить концентрацию $ ^{235}U $ (создать обогащённый уран), либо использовать специальное вещество-замедлитель (например, графит или тяжелую воду), которое будет эффективно замедлять нейтроны до тепловых энергий, повышая вероятность их взаимодействия с $ ^{235}U $ и снижая вероятность захвата ядрами $ ^{238}U $.

Ответ: Цепная реакция деления в природном уране не осуществляется сама собой из-за того, что делящегося изотопа $ ^{235}U $ в нём слишком мало (около 0,7%), а основной изотоп $ ^{238}U $ (около 99,3%) эффективно поглощает нейтроны, прерывая цепь реакций, прежде чем она успеет развиться.