Номер 7, 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 7, страница 304.

Условие.

7. Возможно ли протекание цепной реакции, если масса урана меньше критической; больше критической? Почему?

Решение.

Решение 2.

Что называют критической массой урана?

Критической массой называют наименьшую массу делящегося вещества (например, изотопа урана-235), при которой в нём может протекать самоподдерживающаяся цепная ядерная реакция деления.

Процесс цепной реакции основан на том, что при делении одного ядра урана, вызванном поглощением нейтрона, высвобождается несколько (в среднем 2-3) новых нейтронов. Эти новые нейтроны, в свою очередь, могут вызвать деление других ядер урана, что приводит к лавинообразному нарастанию числа делений.

Однако не все образующиеся нейтроны вызывают новые деления. Часть нейтронов может быть захвачена ядрами без деления, а часть — вылететь за пределы образца урана. Для того чтобы реакция стала самоподдерживающейся, необходимо, чтобы количество нейтронов, вызывающих деление в следующем "поколении", было не меньше, чем в предыдущем. Это условие описывается коэффициентом размножения нейтронов $k$.

Критическая масса соответствует состоянию, когда коэффициент размножения нейтронов равен единице ($k=1$). Это означает, что число нейтронов, рождающихся в процессе деления, в среднем равно числу нейтронов, теряющихся за счёт вылета из образца и захвата без деления. При достижении этой массы реакция становится стационарной и самоподдерживающейся. Величина критической массы зависит от множества факторов: изотопного состава, плотности, формы вещества и наличия отражающей нейтроны оболочки. Например, для шара из чистого урана-235 критическая масса составляет около 47 кг.

Ответ: Критическая масса урана — это минимальная масса, необходимая для начала самоподдерживающейся цепной ядерной реакции, при которой коэффициент размножения нейтронов $k$ становится равным единице.

7. Возможно ли протекание цепной реакции, если масса урана меньше критической; больше критической? Почему?

Если масса урана меньше критической (подкритическая масса):

Протекание самоподдерживающейся цепной реакции невозможно.

Почему? В этом случае потери нейтронов превышают их рождение в реакциях деления. Большинство нейтронов, образующихся при редких спонтанных или инициированных делениях, вылетает за пределы образца, не успев вызвать новые деления. Коэффициент размножения нейтронов меньше единицы ($k < 1$). Любая начавшаяся цепочка делений быстро затухает, так как каждое последующее поколение нейтронов будет малочисленнее предыдущего.

Ответ: Нет, невозможно, так как число теряемых нейтронов (вылетающих из образца или поглощаемых без деления) превышает число нейтронов, образующихся в реакциях деления, и цепная реакция затухает ($k < 1$).

Если масса урана больше критической (надкритическая масса):

Протекание цепной реакции возможно. Более того, она будет развиваться лавинообразно.

Почему? В массе, превышающей критическую, рождение нейтронов в реакциях деления преобладает над их потерями. Коэффициент размножения нейтронов становится больше единицы ($k > 1$). Каждый акт деления в среднем порождает более одного нейтрона, который, в свою очередь, вызывает следующее деление. Число делящихся ядер и, следовательно, выделяемая энергия нарастают экспоненциально. Этот процесс, если его не контролировать, приводит к ядерному взрыву.

Ответ: Да, возможно, так как число нейтронов, образующихся при делении, превышает число теряемых нейтронов ($k > 1$). Это приводит к лавинообразному (экспоненциальному) росту числа делений и выделению огромного количества энергии.