Физика для углубленного изучения 3. Строение и свойства вещества - Бутиков Е.И.
Скачать (прямая ссылка):
Деление тяжелых ядер. Первый путь связан с использованием реакции деления, которая может быть осуществлена для элементов от трансурановых до железа. Практически для этой цели используется уран. При облучении нейтронами его ядро захватывает нейтрон и делится на два радиоактивных ядра-осколка с массовыми числами порядка 100, для которых удельная энергия связи близка к максимальной. При этом в каждом элементарном акте распада ядра урана образуется от двух до четырех нейтронов. Например,
^5и + ‘0П -* %6и- Ва* + «Кг* + 3 ‘п,
%5U + »n %6U* “°Хе* + 3gSr* + 2 ‘п.
Поскольку в каждом акте испускается нейтронов больше, чем поглощается, то при делении ^|U может возникнуть самоподдержи-вающаяся цепная реакция, т. е. процесс, в котором определенная ядерная реакция вызывает последующие реакции такого же типа.
Для осуществления цепной реакции необходимо, чтобы так называемый коэффициент размножения нейтронов — отношение числа нейтронов в каком-либо поколении к числу нейтронов предшествующего поколения — был больше единицы. Коэффициент размножения определяется не только числом образующихся в каждом элементарном акте нейтронов, но и условиями, в которых протекает реакция: часть образующихся нейтронов поглощается посторонними ядрами или уходит за пределы зоны реакции. Минимальная масса урана, при которой возможна цепная реакция, называется критической массой.
1 1 1 1 1 ' 1 • » 1 1 1 40 *0 120 160 200 240 Число НУКЛОНОВ
Рис. 125. Зависимость удельной энергии ядер от массового числа
s 39. РАДИОАКТИВНОСТЬ. ЯДЕРНЫЕ РЕАКЦИИ
327
Преобладающий в природной смеси изотоп ^|U также может захватывать нейтроны. При этом образуется радиоактивный изотоп нептуния:
%‘U + in *JU- ™Np4-_»e + v,
который в свою очередь в результате (3-распада превращается в плутоний:
%9NP*
2,3 дня
“9Pu + _°е + v.
Плутоний относительно стабилен (период полураспада 24000 лет) и также может использоваться как ядерное топливо в ядерных реакциях.
Устройство, в котором осуществляется управляемая ядерная цепная реакция, сопровождающаяся выделением энергии, называется ядерным реактором. Первый ядерный реактор построен в декабре 1942 г. в США под руководством Э. Ферми.
В любом ядерном реакторе имеются следующие основные части (рис. 126): активная зона, ще находится ядерное топливо, протекает цепная реакция деления ядер и выделяется энергия; отражатель
Регулирующие
стержни
Отражатель
Теплообменник Тур
Активная зона
Генератор
Теплоноситель Конденсатор
Рис. 126. Схема энергетического ядерного реактора
нейтронов, окружающий активную зону; теплоноситель, отводящий выделяющуюся энергию; система регулирования цепной реакции; радиационная защита.
Об экологических проблемах ядерной энергетики. Большинство образующихся в реакциях деления ядер-осколков радиоактивны и дают начало целым цепочкам последовательных превращений типа
gKr- - »Rb4-_»e + »;
йГс ^г' + -°'е +
328
VIII. АТОМНОЕ ЯДРО И ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ
Образование большого числа радиоактивных нуклидов ставит серьезные экологические проблемы при развитии ядерной энергетики.
Реакции синтеза. Второй путь освобождения ядерной энергии связан с реакциями синтеза. Чтобы осуществить реакцию синтеза, нужно сблизить ядра до расстояний 10-12 см, когда проявляется действие ядерных сил. При этом приходится преодолевать кулоновское отталкивание ядер, для чего их необходимо разогнать до очень больших скоростей. Реакции ядерного синтеза становятся возможными при температурах порядка 108 К. Выделяющаяся при слиянии легких ядер энергия в расчете на один нуклон еще больше, чем при распаде тяжелых ядер. Например:
JD + JD — 3Т + }Н + 4,0МэВ;
?D + fD — |Не + 10п + 3,25 МэВ;
?D + fT — 2He + in + 17,7 МэВ.
Получение высоких температур и удержание нагретой до миллиарда градусов плазмы представляет собой труднейшую научно-техническую задачу на пути осуществления управляемого термоядерного синтеза. Тем не менее, осуществление управляемой реакции синтеза очень заманчиво благодаря экологической чистоте процессов и практически неисчерпаемым запасам термоядерного топлива.
• Поясните, почему предположение о существовании а-частицы внутри ядра не противоречит основным принципам квантовой физики.
• Как найти кинетическую энергию вылетающей из радиоактивного ядра а-частицы?
• Почему (3-распад следует считать внутринуклонным, а не внутриядерным процессом, как а-распад?
• Почему вылетающие из ядра при (3-распаде электроны могут иметь разные энергии?
• Почему в обычных условиях нейтрон неустойчив и распадается на протон, электрон и антинейтрино, а протон — стабилен?
• Как можно на опыте разделить разные виды радиоактивных излучений (а, (3, у) из одного радиоактивного препарата?
