Номер 4, страница 121 - гдз по физике 9 класс учебник Кабардин

4. Почему на медленных (тепловых) нейтронах может происходить цепная реакция деления ядер урана-235 даже в природном уране?

4. Цепная реакция деления ядер урана-235 на медленных (тепловых) нейтронах может происходить даже в природном уране благодаря резкой зависимости вероятности (эффективного сечения) взаимодействия нейтронов с ядрами урана от энергии этих нейтронов.

Природный уран состоит в основном из двух изотопов: около 99.3% составляет уран-238 ($^{238}\text{U}$) и лишь около 0.7% — уран-235 ($^{235}\text{U}$).

1. Взаимодействие с ураном-235 ($^{235}\text{U}$): Этот изотоп является делящимся, то есть его ядро может разделиться при поглощении нейтрона. Ключевым моментом является то, что вероятность (эффективное сечение деления) для $^{235}\text{U}$ в сотни раз больше для медленных (тепловых) нейтронов по сравнению с быстрыми нейтронами, которые образуются непосредственно в результате деления.

2. Взаимодействие с ураном-238 ($^{238}\text{U}$): Этот изотоп не делится под действием медленных нейтронов. Вместо этого он с высокой вероятностью поглощает их в процессе, называемом радиационным захватом, превращаясь в уран-239, который затем распадается в плутоний-239. Этот процесс "ворует" нейтроны из реакционной среды, мешая развитию цепной реакции. Ядра $^{238}\text{U}$ могут делиться только под действием очень быстрых нейтронов (с энергией выше 1 МэВ), но вероятность такого деления невелика.

Синтез процесса:

При делении ядра урана (в основном $^{235}\text{U}$) образуются быстрые нейтроны с энергией около 2 МэВ. В природном уране, где на одно ядро $^{235}\text{U}$ приходится около 140 ядер $^{238}\text{U}$, такой быстрый нейтрон с гораздо большей вероятностью столкнется с ядром $^{238}\text{U}$, чем с ядром $^{235}\text{U}$. В результате он либо будет захвачен, либо вызовет неупругое рассеяние, но цепная реакция на быстрых нейтронах в природном уране не пойдет, так как слишком мало нейтронов успевают вызвать следующее деление.

Однако если использовать замедлитель (например, тяжелую воду или графит), который эффективно замедляет быстрые нейтроны до тепловых энергий, ситуация кардинально меняется. Медленный (тепловой) нейтрон имеет:

• Очень высокую вероятность вызвать деление ядра $^{235}\text{U}$ из-за огромного сечения реакции.
• Относительно низкую вероятность быть захваченным ядром $^{238}\text{U}$.

Резкое увеличение вероятности деления $^{235}\text{U}$ на медленных нейтронах оказывается достаточным, чтобы компенсировать малое содержание этого изотопа в природном уране и паразитное поглощение нейтронов ядрами $^{238}\text{U}$. В результате коэффициент размножения нейтронов может стать больше единицы ($k > 1$), что и приводит к возникновению самоподдерживающейся цепной реакции.

Ответ: Цепная реакция в природном уране возможна на медленных нейтронах, потому что вероятность деления ядра урана-235 ($^{235}\text{U}$) при захвате медленного нейтрона в сотни раз выше, чем при захвате быстрого. Этого увеличения вероятности оказывается достаточно, чтобы компенсировать малое содержание (0.7%) $^{235}\text{U}$ в природном уране и конкурирующий процесс поглощения нейтронов преобладающим изотопом ураном-238 ($^{238}\text{U}$). Использование замедлителя для уменьшения энергии нейтронов является необходимым условием для достижения цепной реакции в природном уране.