Номер 5, страница 304 - гдз по физике 9 класс учебник Пёрышкин, Гутник

Глава 4. Строение атома и атомного ядра. Использование энергии атомных ядер. Параграф 63. Деление ядер урана. Цепная реакция. Ответь на вопросы - номер 5, страница 304.

Условие.

5. Расскажите о механизме протекания цепной реакции, используя рисунок 209.

Решение.

Решение 2.

Расскажите о механизме протекания цепной реакции, используя рисунок 209.

Поскольку рисунок 209 не представлен, опишем общий механизм цепной ядерной реакции на примере деления ядер урана-235.

Цепная ядерная реакция — это самоподдерживающийся процесс деления тяжелых атомных ядер, в котором нейтроны, испускаемые при делении одного ядра, вызывают деление других ядер.

Механизм протекания реакции можно разбить на несколько стадий:

1. Начало (инициирование) реакции: Свободный, обычно медленный (тепловой) нейтрон, попадает в ядро делящегося вещества, например, урана-235 ($_{92}^{235}\text{U}$).

2. Деление ядра: Ядро урана поглощает нейтрон, переходит в возбужденное состояние ($_{92}^{236}\text{U}$) и практически мгновенно распадается на два (реже три) более легких ядра, называемых осколками деления (например, ядра бария и криптона). Этот процесс сопровождается выделением огромного количества энергии (около 200 МэВ на одно ядро) в виде кинетической энергии осколков и гамма-излучения.

3. Образование новых нейтронов: Самое важное для цепной реакции — то, что при каждом акте деления, помимо осколков, освобождается от 2 до 3 новых нейтронов. Пример реакции может выглядеть так:

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

4. Развитие цепи: Нейтроны, появившиеся в результате деления, могут, в свою очередь, попасть в соседние ядра урана-235 и вызвать их деление. Каждый такой акт снова порождает новые нейтроны и энергию. Процесс приобретает лавинообразный характер.

Для характеристики цепной реакции используется коэффициент размножения нейтронов ($k$) — отношение числа нейтронов в последующем "поколении" к числу нейтронов в предыдущем.

• Если $k < 1$, число делений со временем уменьшается, и реакция затухает (подкритическое состояние).
• Если $k = 1$, число делений постоянно, реакция протекает со стабильной скоростью (критическое состояние). Этот режим используется в ядерных реакторах.
• Если $k > 1$, число делений экспоненциально растет, что приводит к выделению огромной энергии за короткое время — ядерному взрыву (надкритическое состояние).

Ответ: Цепная реакция — это процесс, при котором деление одного ядра инициирует деление других ядер. Она начинается с попадания нейтрона в ядро (например, урана-235), которое затем делится, высвобождая энергию и несколько новых нейтронов. Эти новые нейтроны вызывают деление следующих ядер, поддерживая и развивая реакцию по цепному, лавинообразному принципу.

6. Что называют критической массой урана?

Критической массой называют наименьшую массу делящегося вещества (например, урана-235), при которой возможно протекание самоподдерживающейся цепной ядерной реакции.

Существование критической массы связано с тем, что не все нейтроны, образующиеся при делении ядер, участвуют в последующих делениях. Часть нейтронов может быть захвачена неделящимися примесями, а часть — вылететь за пределы образца урана.

В куске урана малого размера поверхность относительно велика по сравнению с объемом. Большинство нейтронов, рожденных внутри, будут покидать его, не успев встретить на своем пути другие ядра урана. В этом случае коэффициент размножения нейтронов $k$ будет меньше единицы, и цепная реакция не начнется.

При увеличении массы урана его объем растет быстрее, чем площадь поверхности (объем пропорционален кубу радиуса $r^3$, а площадь — квадрату радиуса $r^2$). Это означает, что для нейтрона, рожденного в центре большого куска, вероятность встретить другое ядро урана на своем пути к поверхности становится выше. Когда масса достигает такого значения, что в среднем хотя бы один из нейтронов, образовавшихся при делении, вызывает новый акт деления (т.е. $k \ge 1$), масса считается критической (или надкритической).

Величина критической массы зависит от:

• Изотопного состава (чистоты урана-235).
• Плотности вещества (при сжатии критическая масса уменьшается).
• Геометрической формы (минимальная критическая масса у шара, так как у него наименьшая площадь поверхности при заданном объеме).
• Наличия отражающей нейтроны оболочки (нейтронный отражатель возвращает часть вылетающих нейтронов обратно в уран, снижая критическую массу).

Например, для шара из чистого урана-235 критическая масса составляет около 47 кг.

Ответ: Критическая масса урана — это минимальная масса, необходимая для того, чтобы цепная реакция деления стала самоподдерживающейся, то есть чтобы число образующихся нейтронов компенсировало их потерю.

7. Возможно ли ... (осуществить цепную реакцию в природном уране?)

Предполагая, что полный вопрос звучит как "Возможно ли осуществить цепную реакцию в природном уране?", ответ будет следующим.

Осуществить самоподдерживающуюся цепную реакцию в обычном куске природного урана невозможно.

Это связано с его изотопным составом. Природный уран состоит в основном из двух изотопов:

• Уран-238 ($_{92}^{238}\text{U}$) — около 99,3%.
• Уран-235 ($_{92}^{235}\text{U}$) — около 0,7%.

Цепную реакцию поддерживает в основном изотоп уран-235, который эффективно делится под действием как быстрых, так и медленных (тепловых) нейтронов. Нейтроны, которые рождаются в процессе деления, являются быстрыми.

Проблема заключается в поведении преобладающего изотопа, урана-238. Он не делится под действием медленных нейтронов, а с высокой вероятностью поглощает их. Под действием быстрых нейтронов он может делиться, но не так эффективно, чтобы поддерживать цепную реакцию. Более того, уран-238 эффективно поглощает нейтроны средних энергий.

Таким образом, в природном уране быстрые нейтроны, рожденные при делении немногочисленных ядер урана-235, с гораздо большей вероятностью будут поглощены многочисленными ядрами урана-238, чем вызовут новое деление. Коэффициент размножения нейтронов $k$ всегда будет меньше единицы, и реакция затухнет.

Однако цепную реакцию в природном уране (или в слабообогащенном уране) можно осуществить при выполнении специальных условий, которые реализуются в ядерных реакторах. Для этого используют замедлитель нейтронов (например, тяжелую воду или графит). Замедлитель эффективно снижает энергию быстрых нейтронов до тепловых (медленных). Медленные нейтроны имеют очень высокую вероятность вызвать деление урана-235 и очень низкую вероятность быть поглощенными ураном-238. Это позволяет достичь $k=1$ и поддерживать управляемую цепную реакцию.

Ответ: Нет, в обычном куске природного урана цепная реакция невозможна из-за того, что изотоп уран-238, составляющий его основу, поглощает нейтроны, не давая реакции развиться. Однако реакцию можно осуществить в специальных установках (ядерных реакторах), используя замедлитель нейтронов.