Цепная ядерная реакция - СТРОЕНИЕ АТОМА И АТОМНОГО ЯДРА. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЭНЕРГИИ АТОМНЫХ ЯДЕР - Поурочные разработки по программе А. В. Перышкина

Цели урока:

Сформировать у учащихся представление о цепной ядерной реакции, выяснить условие ее протекания.

Ход урока

I. Анализ контрольной работы

II. Проверка домашнего задания, повторение

- Из чего состоит ядро?

- Какую массу имеют нейтроны? Каков заряд нейтрона?

- Каков состав ядра натрия Na?

- Как проявляют себя ядерные силы?

- Что произошло бы, если действовали одни кулоновские силы?

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

- Что можно сказать про заряды протона и электрона?

- Чем отличается химический элемент и его изотоп?

III. Новый материал

Цепная реакция деления ядер урана

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

В 1938 г. О. 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 образуются 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_к осколков ≈ 2,6 · 10^-11 Дж.

б) Е_к 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 o 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 течения 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 масса урана. Количество распавшихся ядер пропорционально массе урана, которая растет быстрее, чем площадь его поверхности, если форма урана с критической массой шарообразна.

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.

IV. Упражнения и вопросы для повторения:

- 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.

Домашнее задание

1. Прочитать и выучить материал параграфа 67;

2*. Один из путей, которыми осуществляется деление ядер при цепной ядерной реакции, выглядит так: уран ²³⁸₉₂U, захватывая медленный нейрон n, распадается на два радиоактивных осколка – цезий ¹³²₅₅Cs и рубидий ⁹⁴₃₇Rb и несколько нейтронов. Осколки претерпевают цепочку бетта-распадов, сопровождаемых гамма-излучением. Конечные продукты - церий ¹⁴⁰₅₈Се и цирконий ⁹⁴₄₀Zr. Запишите все семь ядерных реакций.