Цепная ядерная реакция - Физика атомного ядра - Квантовая физика

Цель: сформировать у учащихся представление о цепной ядерной реакции, выяснить условия ее протекания.

Ход урока

I. Организационный момент

II. Анализ контрольной работы

III. Проверка домашнего задания. Повторение

- Из чего состоит ядро?

- Какую массу имеют нейтроны? Каков заряд нейтрона?

- Каков состав ядра натрия Na?

- Сколько нейтронов содержит изотоп урана ²³⁸₉₂U? Чему равно число протонов в ядре?

- Что можно сказать о зарядах протона и электрона?

- Чем отличается химический элемент и его изотоп?

IV. Изучение нового материала

Цепная реакция деления ядер урана.

В 1940 г. Г. И. Флеров и В. Петргиан обнаружили самопроизвольное (спонтанное) деление ядер урана.

В 1938 г. Г. Ган и Ф. Штрассман открыли: ядра урана при бомбардировке его нейтронами образуют другие элементы. А объяснение этому явлению было дано в 1939 г. австрийским физиком Л. Майтнером и английским физиком О. Фришем:

(Бомбардировка нейтронами дает ²³⁶₉₂U, который распадается на цезий и рубидий.)

Позже обнаружили, что при бомбардировке нейтронами ²³⁵₉₂U образуется 80 различных ядер. Наиболее вероятное деление оказалось:

Этот процесс происходит с выделением энергии 200 мЭВ = 3,2 · 10^-11 Дж. Энергия выделяется в виде:

а) Е_k осколков ≈ 2,6 · 10^-11 Дж;

б) Е_k нейтронов ≈ 0,1 · 10^-11 Дж;

в) γ-излучения ≈ 0,5 · 10^-11 Дж;

г) β-излучения.

Механизм деления

Н. Бор предложил капельную модель ядра атома. Она дает представление о ядре как о положительно заряженной капле жидкости. Ядро, поглотившее нейтрон, находится в возбужденном состоянии и подобно капле ртути при толчке начинает колебаться, изменяя свою форму. Когда энергия возбуждения станет больше энергии связи, то за счет кулоновских сил ядро разорвется на две части, которые разлетятся в противоположные стороны. Таким образом, кинетическая энергия новых ядер обусловливается кулоновскими силами.

Цепная реакция деления ядер урана - это реакция, в которой частицы (нейтроны), вызывающие эту реакцию, образуются в процессе деления ядра. Для осуществления цепной реакции пригодны лишь ядра ²³⁵₉₂U. Естественный уран состоит из ²³⁵₉₂U (0,7%), ²³⁸₉₂U (97,3%). Ядра ²³⁵₉₂U делятся как быстрыми, так и медленными нейтронами.

²³⁸₉₂U - только быстрыми с энергией 1 МэВ. Нейтронов с такой энергией при делении 60 %, но только один из пяти производит деление.

Цепную реакцию чистого изотопа ²³⁸₉₂U осуществить медленными нейтронами невозможно. Для ее течение необходимо, чтобы коэффициент размножения k-нейтронов был ≥ 1. В этом случае число нейтронов ¹₀n увеличивается или остается постоянным и цепная реакция протекает.

При k < 1 число ¹₀n убывает и цепная реакция невозможна.

Коэффициент размножения увеличивается при захвате медленных ¹₀n ядром ²³⁵₉₂U или быстрых ¹₀n ядрами ²³⁸₉₂U и ²³⁵₉₂U с последующим делением.

Уменьшается при захвате нейтрона ядром без последующего деления, при вылете нейтрона из делящегося вещества, при захвате нейтрона продуктами деления, замедлителями и конструктивными элементами установки.

С целью уменьшения вылета ¹₀n увеличивают массу урана. Количество распавшихся ядер пропорционально массе урана, которая растет быстрее, чем площадь его поверхности.

Минимальное значение массы урана, при которой возможна цепная реакция, называется критической массой. В зависимости от устройства установок и типа горючего критическая масса изменяется от 250 г до сотен килограммов.

Существуют два вида ядерных реакций: неуправляемая цепная реакция и управляемая цепная реакция.

V. Закрепление изученного материала

- Что называют цепной ядерной реакцией?

- Благодаря чему оказалось возможным осуществление цепной ядерной реакции деления?

- Что называют коэффициентом размножения нейтронов?

- Чем вызвана необходимость замедления нейтронов, испускаемых при делении ядер?

- Перечислите условия протекания цепной ядерной реакции в уране-325.

VI. Подведение итогов урока

Домашнее задание

Прочитайте и выучите материал п. 109.

Один из путей, которым осуществляется деление ядер при цепной ядерной реакции, выглядит так: уран ²³⁸₉₂U захватывая медленный нейрон n, распадается на два радиоактивных осколка - цезий ¹³²₅₆Сs и рубидий ⁹⁴₃₇Rb, и несколько нейтронов. Осколки претерпевают цепочку β-распадов, сопровождаемых γ-излучением. Конечные продукты - церий ¹⁴⁰₅₈Се и цирконий⁹⁴₄₀Zr. Запишите все семь ядерных реакций.