Nukleus manakah yang paling banyak mengeluarkan tenaga semasa pembelahan? Tindak balas pembelahan nuklear

Tindak balas nuklear. Interaksi zarah dengan nukleus atom, yang membawa kepada transformasi nukleus ini kepada nukleus baru dengan pembebasan zarah sekunder atau sinar gamma, dipanggil tindak balas nuklear.

Pertama tindak balas nuklear telah dijalankan oleh Rutherford pada tahun 1919. Beliau mendapati bahawa perlanggaran zarah alfa dengan nukleus atom nitrogen menghasilkan proton yang bergerak pantas. Ini bermakna nukleus isotop nitrogen, akibat perlanggaran dengan zarah alfa, telah diubah menjadi nukleus isotop oksigen:

Tindak balas nuklear boleh berlaku dengan pembebasan atau penyerapan tenaga. Menggunakan undang-undang hubungan antara jisim dan tenaga, keluaran tenaga bagi tindak balas nuklear boleh ditentukan dengan mencari perbezaan jisim zarah yang memasuki tindak balas dan hasil tindak balas:

Tindak balas rantai pembelahan nukleus uranium. Antara pelbagai tindak balas nuklear terutamanya penting dalam kehidupan moden masyarakat manusia mempunyai tindak balas berantai pembelahan beberapa nukleus berat.

Tindak balas pembelahan nukleus uranium apabila dihujani dengan neutron ditemui pada tahun 1939. Hasil daripada eksperimen dan penyelidikan teori dijalankan oleh E. Fermi, I. Joliot-Curie, O. Hahn, F. Strassmann, L. Meitner, O. Frisch, F. Joliot-Curie, didapati bahawa apabila satu neutron terkena nukleus uranium, nukleus adalah dibahagikan kepada dua tiga bahagian.

Pembelahan satu nukleus uranium membebaskan kira-kira 200 MeV tenaga. Tenaga kinetik pergerakan nukleus serpihan menyumbang kira-kira 165 MeV, tenaga selebihnya dibawa oleh gamma quanta.

Mengetahui tenaga yang dikeluarkan semasa pembelahan satu nukleus uranium, boleh dikira bahawa pengeluaran tenaga daripada pembelahan semua nukleus 1 kg uranium ialah 80 ribu bilion joule. Ini adalah beberapa juta kali lebih banyak daripada apa yang dikeluarkan apabila membakar 1 kg arang atau minyak. Oleh itu, pencarian dibuat untuk mencari cara untuk membebaskan tenaga nuklear dalam kuantiti yang banyak untuk menggunakannya untuk tujuan praktikal.

Cadangan pertama tentang kemungkinan tindak balas nuklear berantai telah dibuat oleh F. Joliot-Curie pada tahun 1934. Pada tahun 1939, beliau, bersama-sama dengan H. Halban dan L. Kowarski, secara eksperimen mendapati bahawa semasa pembelahan nukleus uranium, sebagai tambahan kepada serpihan nuklear, 2 -3 neutron bebas. Pada keadaan yang menguntungkan neutron ini boleh terkena nukleus uranium lain dan menyebabkannya pembelahan. Apabila tiga pembelahan nukleus uranium, 6-9 neutron baru harus dibebaskan, mereka akan jatuh ke dalam nukleus uranium baru, dsb. Gambar rajah perkembangan tindak balas berantai pembelahan nukleus uranium ditunjukkan dalam Rajah 316.

nasi. 316

Pelaksanaan praktikal tindak balas berantai tidak seperti itu tugas mudah bagaimana ia kelihatan pada rajah. Neutron yang dibebaskan semasa pembelahan nukleus uranium mampu menyebabkan pembelahan hanya nukleus isotop uranium dengan nombor jisim 235, tetapi tenaganya tidak mencukupi untuk memusnahkan nukleus isotop uranium dengan nombor jisim 238. Dalam uranium semulajadi, bahagian uranium dengan nombor jisim 238 ialah 99.8%, dan bahagian uranium dengan nombor jisim 235 hanya 0.7%. Oleh itu yang pertama cara yang mungkin Pelaksanaan tindak balas rantai pembelahan dikaitkan dengan pemisahan isotop uranium dan pengeluaran isotop dalam bentuk tulennya dalam kuantiti yang cukup besar. Keadaan yang perlu untuk tindak balas berantai berlaku ialah kehadiran yang mencukupi Kuantiti yang besar uranium, kerana dalam sampel kecil kebanyakan neutron terbang melalui sampel tanpa mengenai mana-mana nukleus. Jisim minimum uranium di mana tindak balas berantai boleh berlaku dipanggil jisim kritikal. Jisim kritikal untuk uranium-235 ialah beberapa puluh kilogram.

Cara paling mudah untuk menjalankan tindak balas berantai dalam uranium-235 adalah seperti berikut: dua keping logam uranium dibuat, masing-masing dengan jisim kurang sedikit daripada yang kritikal. Tindak balas berantai tidak boleh berlaku dalam setiap satu daripadanya secara berasingan. Apabila kepingan ini disambungkan dengan cepat, tindak balas berantai berkembang dan tenaga besar dilepaskan. Suhu uranium mencecah berjuta-juta darjah, uranium itu sendiri dan sebarang bahan lain yang berdekatan bertukar menjadi wap. Bola gas panas mengembang dengan cepat, membakar dan memusnahkan segala-galanya di laluannya. Ini adalah bagaimana letupan nuklear berlaku.

Sangat sukar untuk menggunakan tenaga letupan nuklear untuk tujuan damai, kerana pembebasan tenaga tidak dapat dikawal. Tindak balas rantai terkawal pembelahan nukleus uranium dijalankan dalam reaktor nuklear.

reaktor nuklear. Reaktor nuklear pertama ialah reaktor neutron perlahan (Rajah 317). Kebanyakan neutron yang dibebaskan semasa pembelahan nukleus uranium mempunyai tenaga 1-2 MeV. Kelajuan mereka adalah kira-kira 107 m/s, itulah sebabnya mereka dipanggil neutron pantas. Pada tenaga sedemikian, neutron berinteraksi dengan nukleus uranium dan uranium dengan kecekapan yang lebih kurang sama. Dan kerana terdapat 140 kali lebih banyak nukleus uranium dalam uranium semulajadi daripada nukleus uranium, kebanyakan neutron ini diserap oleh nukleus uranium dan tindak balas berantai tidak berkembang. Neutron bergerak pada kelajuan yang hampir dengan kelajuan pergerakan haba(kira-kira 2·10 3 m/s), dipanggil perlahan atau terma. Neutron yang perlahan berinteraksi dengan baik dengan nukleus uranium-235 dan diserap olehnya 500 kali lebih cekap daripada neutron cepat. Oleh itu, apabila uranium semulajadi disinari dengan neutron perlahan, kebanyakannya diserap bukan dalam nukleus uranium-238, tetapi dalam nukleus uranium-235 dan menyebabkan pembelahannya. Akibatnya, untuk tindak balas berantai untuk berkembang dalam uranium semula jadi, halaju neutron mesti dikurangkan kepada haba.

nasi. 317

Neutron menjadi perlahan akibat perlanggaran dengan nukleus atom medium di mana ia bergerak. Untuk memperlahankan neutron dalam reaktor, bahan khas yang dipanggil moderator digunakan. Nukleus atom bahan penyederhana mesti mempunyai jisim yang agak kecil, kerana apabila berlanggar dengan nukleus ringan, neutron kehilangan lebih banyak tenaga daripada apabila berlanggar dengan nukleus yang berat. Moderator yang paling biasa ialah air biasa dan grafit.

Ruang di mana tindak balas berantai berlaku dipanggil teras reaktor. Untuk mengurangkan kebocoran neutron, teras reaktor dikelilingi oleh pemantul neutron, yang menolak sebahagian besar neutron yang melarikan diri ke dalam teras. Bahan yang sama yang berfungsi sebagai moderator biasanya digunakan sebagai pemantul.

Tenaga yang dibebaskan semasa operasi reaktor dikeluarkan menggunakan penyejuk. Hanya cecair dan gas yang tidak mempunyai keupayaan untuk menyerap neutron boleh digunakan sebagai penyejuk. Air biasa digunakan secara meluas sebagai penyejuk kadangkala karbon dioksida dan juga natrium logam cecair.

Reaktor dikawal menggunakan rod kawalan khas (atau kawalan) yang dimasukkan ke dalam teras reaktor. Rod kawalan diperbuat daripada sebatian boron atau kadmium, yang menyerap neutron haba dengan kecekapan yang sangat tinggi. Sebelum reaktor mula beroperasi, ia dimasukkan sepenuhnya ke dalam terasnya. Dengan menyerap sebahagian besar neutron, ia menjadikannya mustahil untuk tindak balas berantai untuk berkembang. Untuk memulakan reaktor, rod kawalan dikeluarkan secara beransur-ansur dari teras sehingga pelepasan tenaga mencapai tahap yang telah ditetapkan. Apabila meningkatkan kuasa di atas tahap yang ditetapkan mesin automatik dihidupkan, menjunam rod kawalan jauh ke dalam teras.

Tenaga nuklear. Tenaga nuklear digunakan untuk perkhidmatan keamanan buat pertama kali di negara kita. Penganjur dan ketua kerja pertama sains dan teknologi atom di USSR ialah Ahli Akademik Igor Vasilyevich Kurchatov (1903-1960).

Pada masa ini, yang terbesar di USSR dan Eropah ialah RFN Leningrad yang dinamakan sempena. DALAM DAN. Lenin mempunyai kapasiti 4000 MW, i.e. 800 kali ganda kuasa loji tenaga nuklear pertama.

Kos tenaga elektrik yang dijana secara besar-besaran loji tenaga nuklear, lebih rendah daripada kos elektrik yang dijana di loji kuasa haba. sebab tu kuasa nuklear sedang berkembang pada kadar yang dipercepatkan.

Reaktor nuklear digunakan sebagai loji kuasa di kapal laut. Kapal aman pertama di dunia dengan loji kuasa nuklear, kapal pemecah ais berkuasa nuklear Lenin, dibina di Kesatuan Soviet pada tahun 1959.

Kapal pemecah ais berkuasa nuklear Soviet Arktika, dibina pada 1975, menjadi kapal permukaan pertama di dunia yang sampai ke Kutub Utara.

Tindak balas termonuklear. Tenaga nuklear dibebaskan bukan sahaja dalam tindak balas nuklear pembelahan nukleus berat, tetapi juga dalam tindak balas gabungan nukleus atom ringan.

Untuk menyambungkan proton bercas serupa, adalah perlu untuk mengatasi daya tolakan Coulomb, yang mungkin pada halaju zarah berlanggar yang cukup tinggi. Syarat yang perlu untuk sintesis nukleus helium daripada proton boleh didapati di bahagian dalam bintang. Di Bumi, tindak balas pelakuran termonuklear telah dijalankan semasa letupan termonuklear eksperimen.

Sintesis helium dari isotop ringan hidrogen berlaku pada suhu kira-kira 108 K, dan untuk sintesis helium dari isotop berat hidrogen - deuterium dan tritium - mengikut skema

memerlukan pemanasan hingga lebih kurang 5 10 7 K.

Apabila 1 g helium disintesis daripada deuterium dan tritium, tenaga yang dibebaskan ialah 4.2·10 11 J. Tenaga ini dibebaskan apabila 10 tan bahan api diesel dibakar.

Rizab hidrogen di Bumi boleh dikatakan tidak habis-habis, jadi penggunaan tenaga haba gabungan nuklear untuk tujuan damai adalah salah satunya tugas paling penting sains moden dan teknologi.

Tindak balas termonuklear terkawal sintesis helium daripada isotop berat hidrogen dengan pemanasan sepatutnya dijalankan dengan menghantar arus elektrik melalui plasma. Medan magnet digunakan untuk mengekalkan plasma yang dipanaskan daripada bersentuhan dengan dinding ruang. hidup persediaan eksperimen"Tokamak-10" ahli fizik Soviet berjaya memanaskan plasma ke suhu 13 juta darjah. Hidrogen boleh dipanaskan pada suhu yang lebih tinggi menggunakan sinaran laser. Untuk melakukan ini, pancaran cahaya dari beberapa laser mesti difokuskan pada bola kaca yang mengandungi campuran isotop berat deuterium dan tritium. Dalam eksperimen pada pemasangan laser, plasma dengan suhu beberapa puluh juta darjah telah diperolehi.

Kelas

Pelajaran No 42-43

Tindak balas rantai pembelahan nukleus uranium. Tenaga nuklear dan ekologi. Keradioaktifan. Separuh hayat.

Tindak balas nuklear

Tindak balas nuklear ialah proses interaksi nukleus atom dengan nukleus lain atau zarah asas, disertai dengan perubahan dalam komposisi dan struktur nukleus dan pembebasan zarah sekunder atau γ quanta.

Hasil daripada tindak balas nuklear, isotop radioaktif baharu boleh terbentuk yang tidak terdapat di Bumi dalam keadaan semula jadi.

Tindak balas nuklear pertama telah dijalankan oleh E. Rutherford pada tahun 1919 dalam eksperimen untuk mengesan proton dalam produk pereputan nuklear (lihat § 9.5). Rutherford membedil atom nitrogen dengan zarah alfa. Apabila zarah berlanggar, tindak balas nuklear berlaku, meneruskan mengikut skema berikut:

Semasa tindak balas nuklear beberapa undang-undang pemuliharaan: impuls, tenaga, momentum sudut, cas. Sebagai tambahan kepada ini undang-undang klasik pemuliharaan dalam tindak balas nuklear undang-undang pemuliharaan yang dipanggil caj baryon(iaitu, bilangan nukleon - proton dan neutron). Beberapa undang-undang pemuliharaan lain yang khusus untuk fizik nuklear dan zarah juga dipegang.

Tindak balas nuklear boleh berlaku apabila atom dihujani dengan zarah bercas pantas (proton, neutron, zarah-α, ion). Tindak balas pertama jenis ini dijalankan menggunakan proton bertenaga tinggi yang dihasilkan pada pemecut pada tahun 1932:

di mana M A dan M B ialah jisim hasil awal, M C dan M D ialah jisim hasil tindak balas akhir. Kuantiti ΔM dipanggil kecacatan jisim. Tindak balas nuklear boleh berlaku dengan pelepasan (Q > 0) atau dengan penyerapan tenaga (Q< 0). Во втором случае первоначальная кинетическая энергия исходных продуктов должна превышать величину |Q|, которая называется порогом реакции.

Agar tindak balas nuklear menghasilkan tenaga positif, tenaga pengikat tertentu nukleon dalam nukleus hasil awal mestilah kurang daripada tenaga pengikat khusus nukleon dalam nukleus hasil akhir. Ini bermakna nilai ΔM mestilah positif.

Pada asasnya terdapat dua kemungkinan cara yang berbeza pembebasan tenaga nuklear.

1. Pembelahan nukleus berat. Tidak seperti pereputan radioaktif nukleus, yang disertai dengan pelepasan α- atau β-zarah, tindak balas pembelahan ialah proses di mana nukleus yang tidak stabil dibahagikan kepada dua serpihan besar jisim yang setanding.

Pada tahun 1939, saintis Jerman O. Hahn dan F. Strassmann menemui pembelahan nukleus uranium. Meneruskan penyelidikan yang dimulakan oleh Fermi, mereka mendapati bahawa apabila uranium dihujani dengan neutron, unsur-unsur bahagian tengah muncul jadual berkala– isotop radioaktif barium (Z = 56), kripton (Z = 36), dsb.

Uranium berlaku di alam semula jadi dalam bentuk dua isotop: (99.3%) dan (0.7%). Apabila dibombardir oleh neutron, nukleus kedua-dua isotop boleh berpecah kepada dua serpihan. Dalam kes ini, tindak balas pembelahan berlaku paling sengit dengan neutron perlahan (terma), manakala nukleus memasuki tindak balas pembelahan hanya dengan neutron pantas dengan tenaga dalam susunan 1 MeV.

Kepentingan utama tenaga nuklear ialah tindak balas pembelahan nukleus Pada masa ini, kira-kira 100 isotop berbeza dengan nombor jisim dari kira-kira 90 hingga 145 diketahui, hasil daripada pembelahan nukleus ini. Dua tindak balas pembelahan tipikal nukleus ini ialah:

Perhatikan bahawa pembelahan nuklear yang dimulakan oleh neutron menghasilkan neutron baru yang boleh menyebabkan tindak balas pembelahan dalam nukleus lain. Hasil pembelahan nukleus uranium-235 juga boleh menjadi isotop lain barium, xenon, strontium, rubidium, dll.

Tenaga kinetik yang dibebaskan semasa pembelahan satu nukleus uranium adalah sangat besar - kira-kira 200 MeV. Anggaran tenaga yang dibebaskan semasa pembelahan nuklear boleh dibuat menggunakan tenaga pengikat tertentu nukleon dalam nukleus. Tenaga pengikat spesifik nukleon dalam nukleus dengan nombor jisim A ≈ 240 adalah kira-kira 7.6 MeV/nukleon, manakala dalam nukleus dengan nombor jisim A = 90–145 tenaga tentu adalah lebih kurang 8.5 MeV/nukleon. Akibatnya, pembelahan nukleus uranium membebaskan tenaga dalam susunan 0.9 MeV/nukleon, atau lebih kurang 210 MeV setiap atom uranium. Dengan pembelahan lengkap semua nukleus yang terkandung dalam 1 g uranium, tenaga yang sama dibebaskan seperti semasa pembakaran 3 tan arang batu atau 2.5 tan minyak.

Hasil pembelahan nukleus uranium tidak stabil kerana ia mengandungi lebihan bilangan neutron yang ketara. Sesungguhnya, nisbah N / Z untuk nukleus terberat adalah dari susunan 1.6 (Rajah 9.6.2), untuk nukleus dengan nombor jisim dari 90 hingga 145 nisbah ini adalah daripada susunan 1.3–1.4. Oleh itu, nukleus serpihan mengalami siri β – -reput berturut-turut, akibatnya bilangan proton dalam nukleus bertambah dan bilangan neutron berkurangan sehingga nukleus stabil terbentuk.

Apabila pembelahan nukleus uranium-235, yang disebabkan oleh perlanggaran dengan neutron, 2 atau 3 neutron dibebaskan. Di bawah keadaan yang menggalakkan, neutron ini boleh memukul nukleus uranium lain dan menyebabkannya pembelahan. Pada peringkat ini, dari 4 hingga 9 neutron akan muncul, mampu menyebabkan pereputan baru nukleus uranium, dan lain-lain. Proses seperti longsoran seperti itu dipanggil tindak balas berantai. Skim pembangunan tindakbalas berantai pembelahan nukleus uranium ditunjukkan dalam Rajah. 9.8.1.

Rajah 9.8.1. Rajah perkembangan tindak balas berantai.

Untuk tindak balas berantai berlaku, adalah perlu bahawa apa yang dipanggil faktor pendaraban neutron adalah lebih daripada satu. Dalam erti kata lain, dalam setiap generasi berikutnya harus ada lebih banyak neutron daripada yang sebelumnya. Pekali pendaraban ditentukan bukan sahaja oleh bilangan neutron yang dihasilkan dalam setiap tindakan asas, tetapi juga oleh keadaan di mana tindak balas berlaku - sesetengah neutron boleh diserap oleh nukleus lain atau meninggalkan zon tindak balas. Neutron yang dibebaskan semasa pembelahan nukleus uranium-235 mampu menyebabkan pembelahan hanya nukleus uranium yang sama, yang menyumbang hanya 0.7% uranium semulajadi. Kepekatan ini tidak mencukupi untuk memulakan tindak balas berantai. Isotop juga boleh menyerap neutron, tetapi ini tidak menyebabkan tindak balas berantai.

Tindak balas berantai dalam uranium dengan kandungan uranium-235 yang meningkat boleh berkembang hanya apabila jisim uranium melebihi apa yang dipanggil jisim kritikal. Dalam kepingan kecil uranium, kebanyakan neutron terbang keluar tanpa mengenai mana-mana nukleus. Untuk uranium-235 tulen, jisim kritikal adalah kira-kira 50 kg. Jisim kritikal uranium boleh dikurangkan berkali-kali dengan menggunakan apa yang dipanggil retardas neutron. Hakikatnya ialah neutron yang dihasilkan semasa pereputan nukleus uranium mempunyai kelajuan yang terlalu tinggi, dan kebarangkalian menangkap neutron perlahan oleh nukleus uranium-235 adalah ratusan kali lebih besar daripada yang pantas. Moderator neutron terbaik ialah air berat D 2 O. Apabila berinteraksi dengan neutron, air biasa itu sendiri bertukar menjadi air berat.

Grafit, yang nukleusnya tidak menyerap neutron, juga merupakan penyederhana yang baik. Semasa interaksi elastik dengan deuterium atau nukleus karbon, neutron diperlahankan kepada kelajuan terma.

Penggunaan moderator neutron dan cangkang berilium khas, yang mencerminkan neutron, memungkinkan untuk mengurangkan jisim kritikal kepada 250 g.

DALAM bom atom Tindak balas rantai nuklear yang tidak terkawal berlaku apabila dua keping uranium-235, setiap satunya mempunyai jisim sedikit di bawah kritikal, bergabung dengan cepat.

Peranti yang menyokong tindak balas pembelahan nuklear terkawal dipanggil nuklear(atau atom) reaktor. Gambar rajah reaktor nuklear menggunakan neutron perlahan ditunjukkan dalam Rajah. 9.8.2.

Rajah 9.8.2. Gambar rajah reaktor nuklear.

Tindak balas nuklear berlaku di teras reaktor, yang diisi dengan moderator dan ditembusi oleh rod yang mengandungi campuran isotop uranium yang diperkaya dengan kandungan uranium-235 yang tinggi (sehingga 3%). Rod kawalan yang mengandungi kadmium atau boron dimasukkan ke dalam teras, yang secara intensif menyerap neutron. Memasukkan rod ke dalam teras membolehkan anda mengawal kelajuan tindak balas berantai.

Teras disejukkan menggunakan penyejuk yang dipam, yang boleh berupa air atau logam dengan takat lebur yang rendah (contohnya, natrium, yang mempunyai takat lebur 98 °C). Dalam penjana stim, penyejuk memindahkan tenaga haba kepada air, mengubahnya menjadi stim tekanan tinggi. Stim dihantar ke turbin yang disambungkan kepada penjana elektrik. Dari turbin, wap memasuki pemeluwap. Untuk mengelakkan kebocoran sinaran, litar penyejuk I dan penjana stim II beroperasi dalam kitaran tertutup.

Turbin loji kuasa nuklear ialah enjin haba yang menentukan kecekapan keseluruhan loji mengikut undang-undang kedua termodinamik. Loji tenaga nuklear moden mempunyai pekali tindakan yang berguna lebih kurang sama Oleh itu, untuk menghasilkan 1000 MW kuasa elektrik, kuasa haba reaktor mesti mencapai 3000 MW. 2000 MW mesti dibawa pergi oleh air yang menyejukkan pemeluwap. Ini membawa kepada pemanasan melampau tempatan takungan semula jadi dan kemunculan seterusnya masalah alam sekitar.

Walau bagaimanapun, masalah utama adalah untuk memastikan lengkap keselamatan sinaran orang yang bekerja di loji kuasa nuklear dan menghalang pembebasan bahan radioaktif secara tidak sengaja yang terkumpul dalam kuantiti yang banyak dalam teras reaktor. Apabila membangunkan reaktor nuklear, banyak perhatian diberikan kepada masalah ini. Walau bagaimanapun, selepas kemalangan di beberapa loji tenaga nuklear, khususnya di loji kuasa nuklear Pennsylvania (AS, 1979) dan di Loji kuasa nuklear Chernobyl(1986), masalah keselamatan tenaga nuklear telah menjadi sangat meruncing.

Bersama-sama dengan reaktor nuklear yang beroperasi pada neutron perlahan yang diterangkan di atas, reaktor yang beroperasi tanpa penyederhana pada neutron laju sangat menarik minat praktikal. Dalam reaktor sedemikian, bahan api nuklear adalah campuran diperkaya yang mengandungi sekurang-kurangnya 15% daripada isotop Kelebihan reaktor neutron pantas ialah semasa operasinya, nukleus uranium-238, menyerap neutron, diubah menjadi nukleus plutonium melalui dua β - berturut-turut. pereputan, yang kemudiannya boleh digunakan sebagai bahan api nuklear:

Faktor pembiakan reaktor sedemikian mencapai 1.5, iaitu, untuk 1 kg uranium-235 sehingga 1.5 kg plutonium diperolehi. Reaktor konvensional juga menghasilkan plutonium, tetapi dalam kuantiti yang lebih kecil.

Reaktor nuklear pertama dibina pada tahun 1942 di Amerika Syarikat di bawah pimpinan E. Fermi. Di negara kita, reaktor pertama dibina pada tahun 1946 di bawah pimpinan I.V Kurchatov.

2. Tindak balas termonuklear . Cara kedua untuk melepaskan tenaga nuklear dikaitkan dengan tindak balas pelakuran. Apabila nukleus ringan bercantum dan membentuk nukleus baru, sejumlah besar tenaga mesti dibebaskan. Ini boleh dilihat daripada lengkung tenaga pengikat tertentu berbanding nombor jisim A (Rajah 9.6.1). Sehingga nukleus dengan nombor jisim kira-kira 60, tenaga pengikat spesifik nukleon meningkat dengan peningkatan A. Oleh itu, sintesis mana-mana nukleus dengan A< 60 из более легких ядер должен сопровождаться выделением энергии. Общая масса продуктов реакции синтеза будет в этом случае меньше массы первоначальных частиц.

Tindak balas gabungan nukleus ringan dipanggil tindak balas termonuklear, kerana ia hanya boleh berlaku pada suhu yang sangat tinggi. Untuk membolehkan dua nukleus memasuki tindak balas pelakuran, mereka mesti menghampiri jarak daya nuklear dengan urutan 2·10 –15 m, mengatasi tolakan elektriknya. caj positif. Untuk ini, tenaga kinetik purata pergerakan terma molekul mesti melebihi tenaga keupayaan Interaksi Coulomb. Pengiraan suhu T yang diperlukan untuk ini membawa kepada nilai tertib 10 8 –10 9 K. Ini adalah suhu yang sangat tinggi. Pada suhu ini, bahan berada dalam keadaan terion sepenuhnya, yang dipanggil plasma.

Tenaga yang dibebaskan semasa tindak balas termonuklear bagi setiap nukleon adalah beberapa kali lebih tinggi daripada tenaga khusus yang dikeluarkan dalam tindak balas rantai pembelahan nuklear. Contohnya, dalam tindak balas gabungan nukleus deuterium dan tritium

3.5 MeV/nukleon dilepaskan. Secara keseluruhan, tindak balas ini mengeluarkan 17.6 MeV. Ini adalah salah satu tindak balas termonuklear yang paling menjanjikan.

Perlaksanaan tindak balas termonuklear terkawal akan memberi manusia sumber tenaga baru yang mesra alam dan hampir tidak habis-habisnya. Walau bagaimanapun, mendapatkan suhu ultra tinggi dan mengehadkan plasma yang dipanaskan hingga satu bilion darjah mewakili tugas saintifik dan teknikal yang paling sukar dalam laluan untuk melaksanakan pelakuran termonuklear terkawal.

Pada peringkat perkembangan sains dan teknologi ini, hanya boleh dilaksanakan tindak balas pelakuran yang tidak terkawal V bom hidrogen. Suhu tinggi yang diperlukan untuk pelakuran nuklear dicapai di sini dengan letupan bom uranium atau plutonium konvensional.

Tindak balas termonuklear bermain sangat peranan penting dalam evolusi Alam Semesta. Tenaga sinaran Matahari dan bintang berasal dari termonuklear.

Keradioaktifan

Hampir 90% daripada 2500 nukleus atom yang diketahui adalah tidak stabil. Nukleus yang tidak stabil secara spontan berubah menjadi nukleus lain, memancarkan zarah. Sifat nukleus ini dipanggil radioaktiviti. U biji besar ketidakstabilan timbul disebabkan oleh persaingan antara tarikan nukleon oleh daya nuklear dan tolakan Coulomb proton. Tidak ada nukleus yang stabil dengan nombor cas Z > 83 dan nombor jisim A > 209. Tetapi nukleus atom dengan nilai nombor Z dan A yang jauh lebih rendah juga boleh menjadi radioaktif Jika nukleus mengandungi lebih banyak proton daripada neutron, maka ketidakstabilan itu disebabkan oleh lebihan tenaga interaksi Coulomb . Nukleus yang akan mengandungi lebihan neutron yang besar berbanding bilangan proton ternyata tidak stabil kerana fakta bahawa jisim neutron melebihi jisim proton. Peningkatan jisim nukleus membawa kepada peningkatan tenaganya.

Fenomena radioaktiviti ditemui pada tahun 1896 oleh ahli fizik Perancis A. Becquerel, yang mendapati bahawa garam uranium memancarkan sinaran yang tidak diketahui yang boleh menembusi halangan legap kepada cahaya dan menyebabkan kehitaman emulsi fotografi. Dua tahun kemudian, ahli fizik Perancis M. dan P. Curie menemui radioaktiviti torium dan menemui dua unsur radioaktif baharu - polonium dan radium

Pada tahun-tahun berikutnya, ramai ahli fizik, termasuk E. Rutherford dan pelajarnya, mengkaji sifat sinaran radioaktif. Telah didapati bahawa nukleus radioaktif boleh mengeluarkan zarah daripada tiga jenis: bercas positif dan negatif dan neutral. Ketiga-tiga jenis sinaran ini dipanggil sinaran α-, β- dan γ. Dalam Rajah. 9.7.1 menunjukkan gambar rajah eksperimen yang membolehkan anda mengesan komposisi kompleks sinaran radioaktif. Dalam medan magnet, sinar α- dan β mengalami sisihan sisi bertentangan, dan sinar-β jauh lebih terpesong. Sinar-γ dalam medan magnet tidak terpesong sama sekali.

Ketiga-tiga jenis sinaran radioaktif ini sangat berbeza antara satu sama lain dalam keupayaan mereka untuk mengionkan atom jirim dan, oleh itu, dalam keupayaan penembusannya. α-radiasi mempunyai keupayaan penembusan paling sedikit. Di udara di keadaan biasa sinar-α menempuh jarak beberapa sentimeter. Sinar-β lebih kurang diserap oleh jirim. Mereka mampu melepasi lapisan aluminium setebal beberapa milimeter. Sinar-γ mempunyai keupayaan penembusan yang paling besar, mampu melepasi lapisan plumbum setebal 5–10 cm.

Pada dekad kedua abad ke-20, selepas penemuan E. Rutherford tentang struktur nuklear atom, telah terbukti dengan kukuh bahawa radioaktiviti adalah sifat nukleus atom. Kajian telah menunjukkan bahawa sinar-α mewakili aliran zarah-α - nukleus helium, sinar-β adalah aliran elektron, sinar-γ mewakili panjang gelombang pendek radiasi elektromagnetik dengan panjang gelombang yang sangat pendek λ< 10 –10 м и вследствие этого – ярко выраженными sifat korpuskular, iaitu, ia adalah aliran zarah - γ-quanta.

Pereputan alfa. Pereputan alfa ialah perubahan spontan nukleus atom dengan bilangan proton Z dan neutron N kepada nukleus (anak perempuan) lain yang mengandungi bilangan proton Z – 2 dan neutron N – 2. Dalam kes ini, zarah α dipancarkan - nukleus atom helium. Contoh proses sedemikian ialah pereputan α radium:

Zarah alfa yang dipancarkan oleh nukleus atom radium digunakan oleh Rutherford dalam eksperimen tentang penyerakan oleh nukleus unsur berat. Kelajuan zarah-α yang dipancarkan semasa pereputan-α nukleus radium, diukur daripada kelengkungan trajektori dalam medan magnet, adalah lebih kurang 1.5 10 7 m/s, dan tenaga kinetik yang sepadan ialah kira-kira 7.5 10 –13 J ( lebih kurang 4. 8 MeV). Nilai ini boleh ditentukan dengan mudah oleh nilai yang diketahui jisim nukleus ibu dan anak perempuan dan nukleus helium. Walaupun kelajuan zarah α yang melarikan diri adalah sangat besar, ia masih hanya 5% daripada kelajuan cahaya, jadi apabila mengira, anda boleh menggunakan ungkapan bukan relativistik untuk tenaga kinetik.

Penyelidikan telah menunjukkan bahawa bahan radioaktif boleh mengeluarkan zarah alfa dengan beberapa tenaga diskret. Ini dijelaskan oleh fakta bahawa nukleus boleh, seperti atom, dalam keadaan teruja yang berbeza. Nukleus anak perempuan mungkin berakhir dalam salah satu keadaan teruja ini semasa pereputan α. Semasa peralihan seterusnya nukleus ini ke keadaan dasar, γ-kuantum dipancarkan. Gambar rajah pereputan-α radium dengan pancaran zarah-α dengan dua nilai tenaga kinetik ditunjukkan dalam Rajah. 9.7.2.

Oleh itu, pereputan α nukleus dalam banyak kes disertai dengan sinaran γ.

Dalam teori pereputan-α, diandaikan bahawa kumpulan yang terdiri daripada dua proton dan dua neutron, iaitu zarah-α, boleh dibentuk di dalam nukleus. Nukleus ibu adalah untuk zarah-α berpotensi dengan baik, yang terhad halangan berpotensi. Tenaga zarah α dalam nukleus tidak mencukupi untuk mengatasi halangan ini (Rajah 9.7.3). Pemergian zarah alfa dari nukleus hanya mungkin disebabkan oleh fenomena mekanikal kuantum yang dipanggil kesan terowong. mengikut mekanik kuantum, terdapat kebarangkalian bukan sifar bagi zarah melepasi di bawah halangan berpotensi. Fenomena terowong adalah bersifat probabilistik.

Pereputan beta. Semasa pereputan beta, elektron dikeluarkan daripada nukleus. Elektron tidak boleh wujud di dalam nukleus (lihat § 9.5); ia timbul semasa pereputan beta akibat daripada perubahan neutron kepada proton. Proses ini boleh berlaku bukan sahaja di dalam nukleus, tetapi juga dengan neutron bebas. Purata jangka hayat neutron bebas ialah kira-kira 15 minit. Semasa pereputan, neutron bertukar menjadi proton dan elektron

Pengukuran telah menunjukkan bahawa dalam proses ini terdapat pelanggaran yang jelas terhadap undang-undang pemuliharaan tenaga, kerana jumlah tenaga proton dan elektron yang terhasil daripada pereputan neutron adalah kurang daripada tenaga neutron. Pada tahun 1931, W. Pauli mencadangkan bahawa semasa pereputan neutron, zarah lain dengan jisim dan cas sifar dibebaskan, yang menghilangkan sebahagian daripada tenaga. Zarah baru dinamakan neutrino(neutron kecil). Disebabkan kekurangan cas dan jisim neutrino, zarah ini berinteraksi dengan sangat lemah dengan atom jirim, jadi ia amat sukar untuk dikesan dalam eksperimen. Keupayaan mengion neutrino adalah sangat kecil sehingga satu peristiwa pengionan di udara berlaku kira-kira 500 km dari perjalanan. Zarah ini hanya ditemui pada tahun 1953. Kini diketahui terdapat beberapa jenis neutrino. Semasa pereputan neutron, zarah dihasilkan, yang dipanggil antineutrino elektron. Ia dilambangkan dengan simbol Oleh itu, tindak balas pereputan neutron ditulis sebagai

Proses yang sama berlaku di dalam nukleus semasa pereputan β. Elektron yang dihasilkan oleh pereputan salah satu daripada neutron nuklear, segera dibuang dari "rumah ibu bapa" (teras) dengan kelajuan yang sangat besar, yang boleh berbeza daripada kelajuan cahaya dengan hanya sebahagian kecil daripada peratus. Oleh kerana pengagihan tenaga yang dibebaskan semasa pereputan β antara elektron, neutrino dan nukleus anak adalah rawak, elektron β boleh mempunyai halaju yang berbeza dalam julat yang luas.

Semasa pereputan β, nombor cas Z bertambah satu, tetapi nombor jisim A kekal tidak berubah. Nukleus anak perempuan ternyata menjadi nukleus salah satu isotop unsur, nombor siri yang dalam jadual berkala adalah satu lebih tinggi daripada nombor ordinal nukleus asal. Contoh biasa pereputan β ialah perubahan isoton torium yang terhasil daripada pereputan α uranium kepada paladium

Pereputan gamma. Tidak seperti α- dan β-radioaktiviti, γ-radioaktiviti nukleus tidak dikaitkan dengan perubahan struktur dalaman nukleus dan tidak disertai dengan perubahan cas atau nombor jisim. Kedua-dua semasa pereputan α- dan β, nukleus anak perempuan mungkin mendapati dirinya dalam keadaan teruja dan mempunyai lebihan tenaga. Peralihan nukleus daripada keadaan teruja kepada keadaan dasar disertai dengan pelepasan satu atau lebih γ quanta, yang tenaganya boleh mencapai beberapa MeV.

Hukum Pereputan Radioaktif. Dalam mana-mana sampel bahan radioaktif mengandungi sejumlah besar atom radioaktif. Oleh kerana pereputan radioaktif bersifat rawak dan tidak bergantung pada keadaan luaran, hukum penurunan bilangan N(t) tidak reput pada saat ini masa t nukleus boleh berfungsi sebagai yang penting ciri statistik proses pereputan radioaktif.

Biarkan bilangan nukleus tidak reput N(t) berubah sebanyak ΔN dalam tempoh masa yang singkat Δt< 0. Так как вероятность распада каждого ядра неизменна во времени, что число распадов будет пропорционально количеству ядер N(t) и промежутку времени Δt:

Pekali perkadaran λ ialah kebarangkalian pereputan nuklear dalam masa Δt = 1 s. Formula ini bermakna kadar perubahan fungsi N(t) adalah berkadar terus dengan fungsi itu sendiri.

di mana N 0 ialah nombor awal nukleus radioaktif pada t = 0. Sepanjang masa τ = 1 / λ, bilangan nukleus tidak reput akan berkurangan sebanyak e ≈ 2.7 kali. Kuantiti τ dipanggil masa hidup purata nukleus radioaktif.

Untuk kegunaan praktikal Adalah mudah untuk menulis undang-undang pereputan radioaktif dalam bentuk yang berbeza, menggunakan nombor 2 dan bukannya e sebagai asas:

Kuantiti T dipanggil separuh hayat. Semasa masa T, separuh daripada bilangan asal nukleus radioaktif mereput. Kuantiti T dan τ dikaitkan dengan hubungan itu

Separuh hayat adalah kuantiti utama yang mencirikan kadar pereputan radioaktif. Semakin pendek separuh hayat, semakin kuat pereputan. Oleh itu, untuk uranium T ≈ 4.5 bilion tahun, dan untuk radium T ≈ 1600 tahun. Oleh itu, aktiviti radium adalah lebih tinggi daripada uranium. Terdapat unsur radioaktif dengan separuh hayat pecahan sesaat.

Tidak ditemui secara semula jadi, dan berakhir dengan bismut Siri pereputan radioaktif ini berlaku dalam reaktor nuklear.

Aplikasi yang menarik radioaktiviti ialah kaedah pentarikhan penemuan arkeologi dan geologi dengan kepekatan isotop radioaktif. Kaedah pentarikhan yang paling biasa digunakan ialah pentarikhan radiokarbon. Isotop karbon yang tidak stabil muncul di atmosfera disebabkan oleh tindak balas nuklear yang disebabkan oleh sinar kosmik. Peratusan kecil isotop ini ditemui di udara bersama-sama dengan yang biasa isotop stabil Tumbuhan dan organisma lain mengambil karbon dari udara dan mengumpul kedua-dua isotop dalam perkadaran yang sama seperti di udara. Selepas tumbuhan mati, mereka berhenti mengambil karbon dan isotop yang tidak stabil secara beransur-ansur bertukar menjadi nitrogen hasil daripada pereputan β dengan separuh hayat 5730 tahun. Oleh ukuran yang tepat Kepekatan relatif karbon radioaktif dalam sisa organisma purba boleh menentukan masa kematian mereka.

Sinaran radioaktif semua jenis (alfa, beta, gamma, neutron), serta sinaran elektromagnet ( sinaran x-ray) mempunyai yang sangat kuat kesan biologi pada organisma hidup, yang terdiri daripada proses pengujaan dan pengionan atom dan molekul yang membentuk sel hidup. Di bawah pengaruh sinaran mengion dimusnahkan molekul kompleks Dan struktur selular, yang membawa kepada kecederaan radiasi badan. Oleh itu, apabila bekerja dengan mana-mana sumber sinaran, adalah perlu untuk mengambil semua langkah untuk perlindungan sinaran orang yang mungkin terdedah kepada radiasi.

Walau bagaimanapun, seseorang boleh terdedah kepada sinaran mengion di rumah. Lengai, tidak berwarna, gas radioaktif radon Seperti yang dapat dilihat daripada rajah yang ditunjukkan dalam Rajah. 9.7.5, radon ialah hasil daripada pereputan α radium dan mempunyai separuh hayat T = 3.82 hari. Radium ditemui dalam kuantiti yang kecil dalam tanah, batu, dan pelbagai struktur bangunan. Walaupun secara relatifnya sedikit masa hidup, kepekatan radon terus diisi semula disebabkan oleh pereputan baru nukleus radium, jadi radon boleh terkumpul dalam ruang tertutup. Sekali di dalam paru-paru, radon mengeluarkan zarah-α dan bertukar menjadi polonium, yang bukan bahan lengai secara kimia. Yang berikut ialah rantaian transformasi radioaktif siri uranium (Rajah 9.7.5). Menurut Suruhanjaya Keselamatan dan Kawalan Sinaran Amerika, purata orang menerima 55% sinaran mengion daripada radon dan hanya 11% daripada perkhidmatan perubatan. Sumbangan sinaran kosmik adalah lebih kurang 8%. Jumlah dos sinaran yang diterima seseorang semasa hidupnya adalah berkali-kali lebih sedikit dos maksimum yang dibenarkan(SDA), yang ditubuhkan untuk orang dalam profesion tertentu yang tertakluk kepada pendedahan tambahan kepada sinaran mengion.

pembelahan nuklear ialah satu proses di mana 2 (kadang-kadang 3) nukleus serpihan terbentuk daripada satu nukleus atom, yang mempunyai jisim yang serupa.

Proses ini bermanfaat untuk semua orang β -nukleus stabil dengan nombor jisim A > 100.

Pembelahan nuklear uranium ditemui pada tahun 1939 oleh Hahn dan Strassman, yang dengan jelas membuktikan bahawa apabila neutron mengebom nukleus uranium U Nukleus radioaktif terbentuk dengan jisim dan cas kira-kira 2 kali kurang daripada jisim dan cas nukleus uranium. Pada tahun yang sama, L. Meitner dan O. Frischer memperkenalkan istilah “ pembelahan nuklear"dan telah diperhatikan bahawa proses ini membebaskan tenaga yang sangat besar, dan F. Joliot-Curie dan E. Fermi secara serentak mendapati bahawa beberapa neutron dipancarkan semasa pembelahan (neutron pembelahan). Ini menjadi asas untuk mengemukakan idea tindak balas rantai pembelahan mampan sendiri dan penggunaan pembelahan nuklear sebagai sumber tenaga. Asas tenaga nuklear moden ialah pembelahan nuklear 235 U Dan 239 Pu di bawah pengaruh neutron.

Pembelahan nuklear boleh berlaku kerana fakta bahawa jisim selebihnya nukleus berat ternyata jumlah yang lebih besar jisim rehat serpihan yang timbul semasa pembelahan.

Graf menunjukkan bahawa proses ini ternyata bermanfaat dengan titik tenaga penglihatan.

Mekanisme pembelahan nuklear boleh dijelaskan berdasarkan model titisan, mengikut mana sekumpulan nukleon menyerupai titisan cecair bercas. Nukleus dipelihara daripada pereputan oleh daya tarikan nuklear, lebih besar daripada daya tolakan Coulomb yang bertindak antara proton dan cenderung untuk mengoyakkan nukleus.

teras 235 U mempunyai bentuk bola. Selepas menyerap neutron, ia teruja dan berubah bentuk, memperoleh bentuk memanjang (dalam rajah b), dan meregang sehingga daya tolakan di antara bahagian teras memanjang menjadi lebih besar daripada daya tarikan yang bertindak dalam isthmus (dalam rajah V). Selepas ini, nukleus terpecah kepada dua bahagian (dalam rajah G). Serpihan, di bawah pengaruh daya tolakan Coulomb, terbang pada kelajuan yang sama dengan 1/30 kelajuan cahaya.

Pembebasan neutron semasa pembelahan, yang kita bincangkan di atas, dijelaskan oleh fakta bahawa bilangan relatif neutron (berbanding dengan bilangan proton) dalam nukleus meningkat dengan peningkatan nombor atom, dan untuk serpihan yang terbentuk semasa pembelahan, bilangan neutron menjadi lebih besar daripada adalah mungkin untuk nukleus atom dengan nombor yang lebih kecil.

Pembahagian selalunya berlaku kepada serpihan tidak jisim yang sama. Serpihan ini adalah radioaktif. Selepas siri itu β -pereputan akhirnya menghasilkan ion yang stabil.

Kecuali terpaksa, ia berlaku pembelahan spontan nukleus uranium, yang dibuka pada tahun 1940 ahli fizik Soviet G. N. Flerov dan K. A. Petrzhak. Separuh hayat untuk pembelahan spontan sepadan dengan 10 16 tahun, iaitu 2 juta kali lebih besar daripada separuh hayat untuk α -pereputan uranium.

Sintesis nukleus berlaku dalam tindak balas termonuklear. Tindak balas termonuklear ialah tindak balas pelakuran nukleus cahaya pada sangat suhu tinggi. Tenaga yang dibebaskan semasa pelakuran (sintesis) akan menjadi maksimum semasa sintesis unsur cahaya yang mempunyai tenaga pengikat paling rendah. Apabila dua nukleus ringan, seperti deuterium dan tritium, bergabung, nukleus helium yang lebih berat dengan tenaga pengikat yang lebih tinggi terbentuk:

Dengan proses pelakuran nuklear ini, tenaga ketara dibebaskan (17.6 MeV), sama dengan perbezaan tenaga pengikat nukleus berat dan dua nukleus ringan . Neutron yang dihasilkan semasa tindak balas memperoleh 70% tenaga ini. Perbandingan tenaga bagi setiap nukleon dalam tindak balas pembelahan nuklear (0.9 MeV) dan pelakuran (17.6 MeV) menunjukkan bahawa tindak balas pelakuran nukleus ringan secara bertenaga lebih baik daripada tindak balas pembelahan nukleus berat.

Percantuman nukleus berlaku di bawah pengaruh daya tarikan nuklear, jadi mereka mesti mendekati jarak kurang daripada 10 -14 di mana daya nuklear bertindak. Pendekatan ini dihalang oleh tolakan Coulomb nukleus bercas positif. Ia boleh diatasi hanya disebabkan oleh tenaga kinetik nukleus yang tinggi, yang melebihi tenaga tolakan Coulomb mereka. Daripada pengiraan yang sepadan adalah jelas bahawa tenaga kinetik nukleus, yang diperlukan untuk tindak balas pelakuran, boleh dicapai pada suhu urutan ratusan juta darjah, oleh itu tindak balas ini dipanggil. termonuklear.

Percantuman termonuklear- tindak balas di mana, pada suhu tinggi melebihi 10 7 K, nukleus yang lebih berat disintesis daripada nukleus ringan.

Pelauran termonuklear adalah sumber tenaga untuk semua bintang, termasuk Matahari.

Proses utama di mana tenaga termonuklear dibebaskan dalam bintang ialah penukaran hidrogen kepada helium. Disebabkan oleh kecacatan jisim dalam tindak balas ini, jisim Matahari berkurangan sebanyak 4 juta tan setiap saat.

Tenaga kinetik besar yang diperlukan untuk pelakuran termonuklear diperolehi oleh nukleus hidrogen hasil daripada kuat tarikan graviti ke pusat bintang. Selepas ini, percantuman nukleus helium menghasilkan unsur yang lebih berat.

Tindak balas termonuklear memainkan peranan utama dalam evolusi komposisi kimia bahan di Alam Semesta. Semua tindak balas ini berlaku dengan pembebasan tenaga, yang dipancarkan oleh bintang dalam bentuk cahaya selama berbilion tahun.

Pelaksanaan pelakuran termonuklear terkawal akan menyediakan manusia dengan sumber tenaga baharu yang hampir tidak habis-habis. Kedua-dua deuterium dan tritium yang diperlukan untuk pelaksanaannya agak mudah diakses. Yang pertama terkandung dalam air laut dan lautan (dalam kuantiti yang mencukupi untuk digunakan selama sejuta tahun), yang kedua boleh didapati dalam reaktor nuklear dengan menyinari litium cecair (rizabnya besar) dengan neutron:

Salah satu kelebihan terpenting gabungan termonuklear terkawal ialah ketiadaan sisa radioaktif semasa pelaksanaannya (berbeza dengan tindak balas pembelahan nukleus uranium berat).

Halangan utama kepada pelaksanaan gabungan termonuklear terkawal adalah kemustahilan untuk mengurung plasma suhu tinggi menggunakan medan magnet yang kuat untuk 0.1-1. Walau bagaimanapun, terdapat keyakinan bahawa lambat laun reaktor termonuklear akan dicipta.

Setakat ini hanya boleh dihasilkan tindak balas yang tidak terkawal sintesis jenis letupan dalam bom hidrogen.

Pembelahan nuklear ialah pemisahan atom berat kepada dua serpihan yang mempunyai jisim yang lebih kurang sama, disertai dengan pembebasan sejumlah besar tenaga.

Penemuan pembelahan nuklear bermula era baru- "zaman atom". Potensi penggunaannya yang mungkin dan nisbah risiko kepada faedah penggunaannya bukan sahaja menimbulkan banyak sosiologi, politik, ekonomi dan pencapaian saintifik, tetapi juga masalah yang serius. Walaupun dengan bersih titik saintifik melihat proses pembelahan nuklear yang dicipta nombor besar teka-teki dan kerumitan, dan penjelasan teoretikal penuhnya adalah masalah untuk masa depan.

Berkongsi menguntungkan

Tenaga pengikat (setiap nukleon) berbeza untuk nukleus yang berbeza. Yang lebih berat mempunyai tenaga pengikat yang lebih rendah daripada yang terletak di tengah-tengah jadual berkala.

Ini bermakna bahawa nukleus berat yang mempunyai nombor atom lebih daripada 100, adalah berfaedah untuk membahagikan kepada dua serpihan yang lebih kecil, dengan itu membebaskan tenaga, yang bertukar menjadi tenaga kinetik serpihan. Proses ini dipanggil membelah

Menurut lengkung kestabilan, yang menunjukkan pergantungan bilangan proton pada bilangan neutron untuk nuklida stabil, nukleus yang lebih berat lebih diutamakan. bilangan yang lebih besar neutron (berbanding dengan bilangan proton) daripada yang lebih ringan. Ini menunjukkan bahawa beberapa neutron "ganti" akan dipancarkan bersama dengan proses pembelahan. Di samping itu, mereka juga akan menyerap sebahagian daripada tenaga yang dikeluarkan. Kajian pembelahan nukleus atom uranium menunjukkan bahawa 3-4 neutron dibebaskan: 238 U → 145 La + 90 Br + 3n.

Nombor atom (dan jisim atom) serpihan tidak sama dengan separuh jisim atom ibu bapa. Perbezaan antara jisim atom yang terbentuk akibat pemisahan biasanya kira-kira 50. Walau bagaimanapun, sebab untuk ini masih belum jelas sepenuhnya.

Tenaga pengikat 238 U, 145 La dan 90 Br ialah 1803, 1198 dan 763 MeV, masing-masing. Ini bermakna hasil daripada tindak balas ini, tenaga pembelahan nukleus uranium dibebaskan, bersamaan dengan 1198 + 763-1803 = 158 MeV.

Pembelahan spontan

Proses pembelahan spontan diketahui secara semula jadi, tetapi ia sangat jarang berlaku. Masa hidup purata proses yang ditentukan adalah kira-kira 10 17 tahun, dan, sebagai contoh, jangka hayat purata pereputan alfa radionuklid yang sama ialah kira-kira 10 11 tahun.

Sebabnya ialah untuk berpecah kepada dua bahagian, teras mesti terlebih dahulu mengalami ubah bentuk (regangan) menjadi bentuk elips, dan kemudian, sebelum akhirnya berpecah menjadi dua serpihan, membentuk "leher" di tengah.

Penghalang yang berpotensi

Dalam keadaan cacat, dua daya bertindak pada teras. Satu ialah peningkatan tenaga permukaan (ketegangan permukaan titisan cecair menerangkan bentuk sferanya), dan satu lagi ialah tolakan Coulomb antara serpihan pembelahan. Bersama-sama mereka menghasilkan halangan berpotensi.

Seperti dalam kes pereputan alfa, untuk pembelahan spontan nukleus atom uranium berlaku, serpihan mesti mengatasi halangan ini dengan bantuan terowong kuantum. Nilai halangan adalah kira-kira 6 MeV, seperti dalam kes pereputan alfa, tetapi kebarangkalian terowong zarah alfa adalah lebih besar daripada produk pembelahan atom yang lebih berat.

Pemisahan paksa

Kemungkinan besar ialah pembelahan teraruh nukleus uranium. Dalam kes ini, nukleus ibu disinari dengan neutron. Jika ibu bapa menyerapnya, mereka mengikat, melepaskan tenaga pengikat dalam bentuk tenaga getaran yang boleh melebihi 6 MeV yang diperlukan untuk mengatasi halangan berpotensi.

Di mana tenaga neutron tambahan tidak mencukupi untuk mengatasi halangan potensi, neutron kejadian mesti mempunyai tenaga kinetik minimum untuk dapat mendorong pembelahan atom. Dalam kes 238 U, tenaga pengikat neutron tambahan hilang kira-kira 1 MeV. Ini bermakna pembelahan nukleus uranium hanya diaruhkan oleh neutron dengan tenaga kinetik lebih besar daripada 1 MeV. Sebaliknya, isotop 235 U mempunyai satu neutron tidak berpasangan. Apabila nukleus menyerap nukleus tambahan, ia berpasangan dengannya, dan pasangan ini menghasilkan tenaga pengikat tambahan. Ini sudah cukup untuk membebaskan jumlah tenaga yang diperlukan untuk nukleus untuk mengatasi halangan berpotensi dan pembelahan isotop berlaku apabila berlanggar dengan mana-mana neutron.

Pereputan beta

Walaupun tindak balas pembelahan menghasilkan tiga atau empat neutron, serpihan masih mengandungi lebih banyak neutron daripada isobar stabilnya. Ini bermakna serpihan belahan cenderung tidak stabil kepada pereputan beta.

Sebagai contoh, apabila pembelahan nukleus uranium 238 U berlaku, isobar stabil dengan A = 145 ialah neodymium 145 Nd, yang bermaksud bahawa serpihan lanthanum 145 La mereput dalam tiga peringkat, setiap kali memancarkan elektron dan antineutrino, sehingga a nuklida stabil terbentuk. Isobar stabil dengan A = 90 ialah zirkonium 90 Zr, jadi serpihan belahan bromin 90 Br mereput dalam lima peringkat rantai pereputan β.

Rantai pereputan β ini membebaskan tenaga tambahan, hampir kesemuanya dibawa oleh elektron dan antineutrino.

Tindak balas nuklear: pembelahan nukleus uranium

Pelepasan neutron terus daripada nuklida dengan terlalu banyak neutron untuk memastikan kestabilan nuklear tidak mungkin. Maksudnya di sini ialah tiada tolakan Coulomb dan oleh itu tenaga permukaan cenderung mengekalkan neutron terikat kepada induk. Walau bagaimanapun, ini berlaku kadang-kadang. Sebagai contoh, serpihan pembelahan 90 Br pada peringkat pertama pereputan beta menghasilkan kripton-90, yang boleh berada dalam keadaan teruja dengan tenaga yang mencukupi untuk mengatasi tenaga permukaan. Dalam kes ini, pelepasan neutron boleh berlaku secara langsung dengan pembentukan krypton-89. masih tidak stabil kepada pereputan β sehingga ia menjadi stabil yttrium-89, jadi kripton-89 mereput dalam tiga langkah.

Pembelahan nukleus uranium: tindak balas berantai

Neutron yang dipancarkan dalam tindak balas pembelahan boleh diserap oleh nukleus induk lain, yang kemudiannya sendiri mengalami pembelahan teraruh. Dalam kes uranium-238, tiga neutron yang dihasilkan keluar dengan tenaga kurang daripada 1 MeV (tenaga yang dibebaskan semasa pembelahan nukleus uranium - 158 MeV - terutamanya ditukar kepada tenaga kinetik serpihan pembelahan. ), jadi mereka tidak boleh menyebabkan pembelahan selanjutnya nuklida ini. Walau bagaimanapun, dengan kepekatan ketara isotop jarang 235 U, ini neutron bebas boleh ditangkap oleh nukleus 235 U, yang sememangnya boleh menyebabkan pembelahan, kerana dalam kes ini tidak ada ambang tenaga di bawah mana pembelahan tidak diinduksi.

Ini adalah prinsip tindak balas berantai.

Jenis tindak balas nuklear

Biarkan k ialah bilangan neutron yang terhasil dalam sampel bahan pembelahan pada peringkat n rantaian ini, dibahagikan dengan bilangan neutron yang dihasilkan pada peringkat n - 1. Nombor ini akan bergantung kepada berapa banyak neutron yang dihasilkan pada peringkat n - 1 diserap. oleh nukleus yang mungkin mengalami pembahagian paksa.

Jika k< 1, то цепная реакция просто выдохнется и процесс остановится очень быстро. Именно это и происходит в природной в которой концентрация 235 U настолько мала, что вероятность поглощения одного из нейтронов этим изотопом крайне ничтожна.

Jika k > 1, maka tindak balas berantai akan berkembang sehingga semua bahan fisil telah habis Ini dicapai dengan memperkayakan bijih semula jadi sehingga cukup kepekatan tinggi uranium-235. Bagi sampel sfera, nilai k meningkat dengan peningkatan kebarangkalian penyerapan neutron, yang bergantung pada jejari sfera. Oleh itu, jisim U mesti melebihi jumlah tertentu supaya pembelahan nukleus uranium (tindak balas berantai) boleh berlaku.

Jika k = 1, maka tindak balas terkawal berlaku. Ini digunakan dalam reaktor nuklear. Proses ini dikawal oleh pengedaran kadmium atau rod boron di antara uranium, yang menyerap paling neutron (elemen ini mempunyai keupayaan untuk menangkap neutron). Pembelahan nukleus uranium dikawal secara automatik dengan menggerakkan rod supaya nilai k kekal sama dengan kesatuan.

Pembelahan nukleus uranium ditemui pada tahun 1938 oleh saintis Jerman O. Hahn dan F. Strassmann. Mereka berjaya membuktikan bahawa apabila nukleus uranium dihujani dengan neutron, unsur-unsur bahagian tengah jadual berkala terbentuk: barium, kripton, dll. Tafsiran yang betul tentang fakta ini diberikan oleh ahli fizik Austria L. Meitner dan ahli fizik Inggeris O. Frisch. Mereka menjelaskan kemunculan unsur-unsur ini melalui pereputan nukleus uranium yang menangkap neutron kepada dua bahagian yang lebih kurang sama. Fenomena ini dipanggil pembelahan nuklear, dan nukleus yang terhasil dipanggil serpihan pembelahan.

lihat juga

Vasiliev A. Pembelahan uranium: dari Klaproth ke Hahn // Kuantum. - 2001. - No 4. - P. 20-21,30.

Model titisan nukleus

Tindak balas pembelahan ini boleh dijelaskan berdasarkan model titisan nukleus. Dalam model ini, teras dianggap sebagai setitik cecair tak boleh mampat bercas elektrik. Sebagai tambahan kepada daya nuklear yang bertindak di antara semua nukleon nukleus, proton mengalami tolakan elektrostatik tambahan, akibatnya ia terletak di pinggiran nukleus. Dalam keadaan tidak teruja, daya tolakan elektrostatik diberi pampasan, jadi nukleus mempunyai bentuk sfera (Rajah 1, a).

Selepas neutron \(~^(235)_(92)U\) ditangkap oleh nukleus, nukleus perantaraan\(~(^(236)_(92)U)^*\), yang berada dalam keadaan teruja. Dalam kes ini, tenaga neutron diagihkan sama rata di antara semua nukleon, dan nukleus perantaraan itu sendiri berubah bentuk dan mula bergetar. Jika pengujaan adalah kecil, maka nukleus (Rajah 1, b), membebaskan dirinya daripada tenaga yang berlebihan dengan memancarkan γ -kuantum atau neutron, kembali ke keadaan mantap. Jika tenaga pengujaan cukup tinggi, maka ubah bentuk teras semasa getaran boleh menjadi sangat besar sehingga pinggang terbentuk di dalamnya (Rajah 1, c), serupa dengan pinggang antara dua bahagian titisan cecair yang bercabang. kuasa nuklear, beroperasi dalam penyempitan yang sempit, tidak lagi dapat menahan ketara Daya Coulomb tolakan bahagian nukleus. Pinggang pecah, dan teras pecah menjadi dua "serpihan" (Rajah 1, d), yang terbang ke arah yang bertentangan.

uran.swf Denyar: Pembelahan uranium Besarkan Denyar Rajah. 2.

Pada masa ini, kira-kira 100 isotop berbeza dengan nombor jisim dari kira-kira 90 hingga 145 diketahui, hasil daripada pembelahan nukleus ini. Dua tindak balas pembelahan tipikal nukleus ini ialah:

\(~^(235)_(92)U + \ ^1_0n \ ^(\hampir)_(\searrow) \ \mula(matriks) ^(144)_(56)Ba + \ ^(89)_( 36)Kr + \ 3^1_0n \\ ^(140)_(54)Xe + \ ^(94)_(38)Sr + \ 2^1_0n \end(matriks)\) .

Apabila nukleus pembelahan atom berat (\(~^(235)_(92)U\)), tenaga yang sangat besar dibebaskan - kira-kira 200 MeV semasa pembelahan setiap nukleus. Kira-kira 80% daripada tenaga ini dilepaskan sebagai tenaga kinetik serpihan; baki 20% datang daripada tenaga sinaran radioaktif daripada serpihan dan tenaga kinetik neutron segera.

Anggaran tenaga yang dibebaskan semasa pembelahan nuklear boleh dibuat menggunakan tenaga pengikat khusus nukleon dalam nukleus. Tenaga pengikat khusus nukleon dalam nukleus dengan nombor jisim A≈ 240 daripada susunan 7.6 MeV/nukleon, manakala dalam nukleus dengan nombor jisim A= 90 – 145 tenaga tentu adalah lebih kurang sama dengan 8.5 MeV/nukleon. Akibatnya, pembelahan nukleus uranium membebaskan tenaga dalam susunan 0.9 MeV/nukleon, atau lebih kurang 210 MeV setiap atom uranium. Dengan pembelahan lengkap semua nukleus yang terkandung dalam 1 g uranium, tenaga yang sama dibebaskan seperti semasa pembakaran 3 tan arang batu atau 2.5 tan minyak.

lihat juga

Varlamov A.A. Model titisan nukleus //Kuantum. - 1986. - No 5. - P. 23-24

Tindakbalas berantai

Tindakbalas berantai- tindak balas nuklear di mana zarah yang menyebabkan tindak balas terbentuk sebagai hasil tindak balas ini.

Apabila pembelahan nukleus uranium-235, yang disebabkan oleh perlanggaran dengan neutron, 2 atau 3 neutron dibebaskan. Di bawah keadaan yang menggalakkan, neutron ini boleh memukul nukleus uranium lain dan menyebabkannya pembelahan. Pada peringkat ini, dari 4 hingga 9 neutron akan muncul, mampu menyebabkan pereputan baru nukleus uranium, dan lain-lain. Proses seperti longsoran seperti itu dipanggil tindak balas berantai. Gambar rajah perkembangan tindak balas berantai pembelahan nukleus uranium ditunjukkan dalam Rajah. 3.

reakcia.swf Denyar: tindak balas berantai Besarkan Denyar Rajah. 4.

Uranium berlaku di alam semula jadi dalam bentuk dua isotop \[~^(238)_(92)U\] (99.3%) dan \(~^(235)_(92)U\) (0.7%). Apabila dibombardir oleh neutron, nukleus kedua-dua isotop boleh berpecah kepada dua serpihan. Dalam kes ini, tindak balas pembelahan \(~^(235)_(92)U\) berlaku paling intensif dengan neutron (terma) perlahan, manakala nukleus \(~^(238)_(92)U\) bertindak balas pembelahan. hanya dengan neutron pantas dengan tenaga tertib 1 MeV. Jika tidak, tenaga pengujaan nukleus yang terhasil \(~^(239)_(92)U\) ternyata tidak mencukupi untuk pembelahan, dan kemudian tindak balas nuklear berlaku dan bukannya pembelahan:

\(~^(238)_(92)U + \ ^1_0n \kepada \ ^(239)_(92)U \kepada \ ^(239)_(93)Np + \ ^0_(-1)e\ ).

Isotop uranium \(~^(238)_(92)U\) β -radioaktif, separuh hayat 23 minit. Isotop neptunium \(~^(239)_(93)Np\) juga radioaktif, dengan separuh hayat kira-kira 2 hari.

\(~^(239)_(93)Np \to \ ^(239)_(94)Pu + \ ^0_(-1)e\) .

Isotop plutonium \(~^(239)_(94)Np\) adalah agak stabil, dengan separuh hayat 24,000 tahun. Harta yang paling penting plutonium ialah ia pembelahan di bawah pengaruh neutron dengan cara yang sama seperti \(~^(235)_(92)U\). Oleh itu, dengan bantuan \(~^(239)_(94)Np\) tindak balas berantai boleh dijalankan.

Rajah tindak balas berantai yang dibincangkan di atas ialah kes yang sempurna. DALAM keadaan sebenar Tidak semua neutron yang dihasilkan semasa pembelahan mengambil bahagian dalam pembelahan nukleus lain. Sebahagian daripada mereka ditangkap oleh nukleus bukan fisil atom asing, yang lain terbang keluar dari uranium (kebocoran neutron).

Oleh itu, tindak balas berantai pembelahan nukleus berat tidak selalu berlaku dan bukan untuk sebarang jisim uranium.

Faktor pendaraban neutron

Perkembangan tindak balas berantai dicirikan oleh faktor pendaraban neutron yang dipanggil KEPADA, yang diukur dengan nisbah nombor N i neutron menyebabkan pembelahan nukleus bahan pada salah satu peringkat tindak balas, kepada nombor N i-1 neutron yang menyebabkan pembelahan pada peringkat tindak balas sebelumnya:

\(~K = \dfrac(N_i)(N_(i - 1))\) .

Pekali pembiakan bergantung pada beberapa faktor, khususnya pada sifat dan jumlah jirim fisil, pada bentuk geometri jumlah yang didudukinya. Kuantiti yang sama daripada bahan ini Ia ada makna yang berbeza KEPADA. KEPADA maksimum jika bahan mempunyai bentuk sfera, kerana dalam kes ini kehilangan neutron segera melalui permukaan akan menjadi minimum.

Jisim bahan fisil di mana tindak balas berantai berlaku dengan faktor pendaraban KEPADA= 1 dipanggil jisim kritikal. Dalam kepingan kecil uranium, kebanyakan neutron terbang keluar tanpa mengenai mana-mana nukleus.

Maknanya jisim kritikal ditentukan oleh geometri sistem fizikal, struktur dan persekitaran luarannya. Oleh itu, bagi sebiji bola uranium tulen \(~^(235)_(92)U\) jisim genting ialah 47 kg (sebiji bola dengan diameter 17 cm). Jisim kritikal uranium boleh dikurangkan berkali-kali dengan menggunakan apa yang dipanggil moderator neutron. Hakikatnya ialah neutron yang dihasilkan semasa pereputan nukleus uranium mempunyai kelajuan yang terlalu tinggi, dan kebarangkalian menangkap neutron perlahan oleh nukleus uranium-235 adalah ratusan kali lebih besar daripada yang pantas. Moderator neutron terbaik ialah air berat D 2 O. Apabila berinteraksi dengan neutron, air biasa itu sendiri bertukar menjadi air berat.

Grafit, yang nukleusnya tidak menyerap neutron, juga merupakan penyederhana yang baik. Semasa interaksi elastik dengan deuterium atau nukleus karbon, neutron diperlahankan kepada kelajuan terma.

Penggunaan moderator neutron dan cangkang berilium khas, yang mencerminkan neutron, memungkinkan untuk mengurangkan jisim kritikal kepada 250 g.

Pada kadar pendaraban KEPADA= 1 bilangan nukleus pembelahan dikekalkan pada tahap malar. Rejim ini disediakan dalam reaktor nuklear.

Jika jisim bahan api nuklear kurang daripada jisim kritikal, maka faktor pendaraban KEPADA < 1; каждое новое поколение вызывает все меньшее и bilangan yang lebih kecil pembahagian, dan tindak balas tanpa sumber luar neutron mereput dengan cepat.

Jika jisim bahan api nuklear lebih besar daripada jisim kritikal, maka faktor pendaraban KEPADA> 1 dan setiap generasi baru neutron menyebabkan peningkatan bilangan pembelahan. Tindak balas berantai tumbuh seperti runtuhan salji dan mempunyai watak letupan, disertai dengan pelepasan tenaga yang besar dan peningkatan suhu persekitaran sehingga beberapa juta darjah. Tindak balas berantai semacam ini berlaku apabila bom atom meletup.

Bom nuklear

Dalam keadaan biasa, bom nuklear tidak meletup kerana cas nuklear di dalamnya dibahagikan kepada beberapa bahagian kecil oleh partition yang menyerap produk pereputan uranium - neutron. Tindak balas rantai nuklear yang menyebabkan letupan nuklear tidak dapat dikekalkan dalam keadaan sedemikian. Walau bagaimanapun, jika serpihan cas nuklear digabungkan bersama, jumlah jisimnya akan menjadi mencukupi untuk tindak balas berantai pembelahan uranium mula berkembang. Akibatnya adalah letupan nuklear. Dalam kes ini, kuasa letupan berkembang bom nuklear secara relatifnya saiz kecil, adalah bersamaan dengan kuasa yang dikeluarkan semasa letupan berjuta-juta dan berbilion-bilion tan TNT.

nasi. 5. Bom atom