Si rezultat i një reaksioni zinxhir të ndarjes së uraniumit. E drejtë, por si manifestohen forcat bërthamore? Reaksioni zinxhir i ndarjes së disa bërthamave

>> zbërthimi i uraniumit

§ 107 FISIONI I BËRTHAMËS SË URANIT

Vetëm bërthamat e disa elementeve të rënda mund të ndahen në pjesë. Gjatë ndarjes së bërthamave, lëshohen dy ose tre neutrone dhe rreze -. Në të njëjtën kohë, lëshohet shumë energji.

Zbulimi i ndarjes së uraniumit. Zbërthimi i bërthamave të uraniumit u zbulua në vitin 1938 nga shkencëtarët gjermanë O. Hahn dhe F. Strassmann. Ata vërtetuan se kur uraniumi bombardohet me neutrone, lindin elementë të pjesës së mesme të sistemit periodik: barium, kripton, etj. Megjithatë, interpretimi i saktë i këtij fakti pikërisht si ndarje e bërthamës së uraniumit që kapi neutronin u dha në fillimi i vitit 1939 nga fizikani anglez O. Frisch së bashku me fizikanin austriak L. Meitner.

Kapja e një neutroni shkatërron stabilitetin e bërthamës. Bërthama ngacmohet dhe bëhet e paqëndrueshme, gjë që çon në ndarjen e saj në fragmente. Fizioni bërthamor është i mundur sepse masa e pushimit të një bërthame të rëndë është më e madhe se shuma e masave të mbetura të fragmenteve që lindin gjatë ndarjes. Prandaj, ka një lëshim të energjisë ekuivalente me një ulje të masës së pushimit që shoqëron ndarjen.

Mundësia e ndarjes së bërthamave të rënda mund të shpjegohet gjithashtu duke përdorur një grafik të varësisë së energjisë specifike të lidhjes nga numri masiv A (shih Fig. 13.11). Energjia specifike e lidhjes së bërthamave të atomeve të elementeve që zënë vendet e fundit në sistemin periodik (A 200) është afërsisht 1 MeV më pak se energjia specifike e lidhjes në bërthamat e elementeve të vendosura në mes të sistemit periodik (A 100) . Prandaj, procesi i ndarjes së bërthamave të rënda në bërthamat e elementeve në pjesën e mesme të sistemit periodik është energjikisht i favorshëm. Pas ndarjes, sistemi kalon në një gjendje me energji minimale të brendshme. Në fund të fundit, sa më e madhe të jetë energjia lidhëse e bërthamës, aq më e madhe duhet të çlirohet energjia kur lind bërthama dhe, rrjedhimisht, aq më e ulët është energjia e brendshme e sistemit të sapoformuar.

Gjatë ndarjes bërthamore, energjia lidhëse për nukleon rritet me 1 MeV, dhe energjia totale e lëshuar duhet të jetë e madhe - rreth 200 MeV. Asnjë reaksion tjetër bërthamor (jo i lidhur me ndarjen) nuk lëshon energji kaq të mëdha.

Matjet e drejtpërdrejta të energjisë së çliruar gjatë ndarjes së bërthamës së uraniumit konfirmuan konsideratat e mësipërme dhe dhanë një vlerë prej 200 MeV. Për më tepër, pjesa më e madhe e kësaj energjie (168 MeV) bie në energjinë kinetike të fragmenteve. Në figurën 13.13 shihni gjurmët e fragmenteve të uraniumit të zbërthyer në një dhomë reje.

Energjia e çliruar gjatë ndarjes bërthamore është me origjinë elektrostatike dhe jo bërthamore. Energjia e madhe kinetike që kanë fragmentet lind për shkak të zmbrapsjes së tyre të Kulonit.

mekanizmi i ndarjes bërthamore. Procesi i ndarjes bërthamore mund të shpjegohet në bazë të modelit të rënies së bërthamës. Sipas këtij modeli, një tufë nukleonesh i ngjan një pikë lëngu të ngarkuar (Fig. 13.14, a). Forcat bërthamore midis nukleoneve janë me rreze të shkurtër, si forcat që veprojnë midis molekulave të lëngëta. Së bashku me forcat e forta të zmbrapsjes elektrostatike midis protoneve, të cilat tentojnë të copëtojnë bërthamën, ka ende forca të mëdha bërthamore tërheqëse. Këto forca e mbajnë bërthamën nga shpërbërja.

Bërthama e uraniumit-235 është sferike. Duke thithur një neutron shtesë, ai ngacmohet dhe fillon të deformohet, duke marrë një formë të zgjatur (Fig. 13.14, b). Bërthama do të shtrihet derisa forcat refuzuese midis gjysmave të bërthamës së zgjatur të fillojnë të mbizotërojnë mbi forcat tërheqëse që veprojnë në istmus (Fig. 13.14, c). Pas kësaj, ajo ndahet në dy pjesë (Fig. 13.14, d).

Nën veprimin e forcave refuzuese të Kulombit, këto fragmente fluturojnë larg me një shpejtësi të barabartë me 1/30 e shpejtësisë së dritës.

Emetimi i neutroneve gjatë ndarjes. Fakti themelor i ndarjes bërthamore është emetimi i dy ose tre neutroneve gjatë ndarjes. Ishte falë kësaj që u bë i mundur përdorimi praktik i energjisë intranukleare.

Është e mundur të kuptohet pse neutronet e lira emetohen nga konsideratat e mëposhtme. Dihet se raporti i numrit të neutroneve me numrin e protoneve në bërthamat e qëndrueshme rritet me rritjen e numrit atomik. Prandaj, në fragmentet që lindin gjatë ndarjes, numri relativ i neutroneve rezulton të jetë më i madh se sa është e lejueshme për bërthamat e atomeve të vendosura në mes të tabelës periodike. Si rezultat, disa neutrone lirohen në procesin e ndarjes. Energjia e tyre ka vlera të ndryshme - nga disa milionë elektron volt në shumë të vogla, afër zeros.

Ndarja zakonisht ndodh në fragmente, masat e të cilave ndryshojnë me rreth 1.5 herë. Këto fragmente janë shumë radioaktive, pasi ato përmbajnë një sasi të tepërt të neutroneve. Si rezultat i një sërë zbërthimesh të njëpasnjëshme, përfundimisht përftohen izotopë të qëndrueshëm.

Si përfundim, vërejmë se ka edhe ndarje spontane të bërthamave të uraniumit. Ajo u zbulua nga fizikanët sovjetikë G. N. Flerov dhe K. A. Petrzhak në vitin 1940. Gjysma e jetës për ndarjen spontane është 10 16 vjet. Kjo është dy milionë herë më e gjatë se gjysma e jetës së kalbjes së uraniumit.

Reaksioni i ndarjes bërthamore shoqërohet me çlirimin e energjisë.

Përmbajtja e mësimit përmbledhje e mësimit mbështetja e prezantimit të mësimit në kuadër të metodave përshpejtuese teknologjitë ndërvepruese Praktikoni detyra dhe ushtrime seminare vetëekzaminimi, trajnime, raste, kërkime pyetje diskutimi për detyra shtëpie pyetje retorike nga nxënësit Ilustrime audio, videoklipe dhe multimedia fotografi, foto grafika, tabela, skema humori, anekdota, shaka, shëmbëlltyra komike, thënie, fjalëkryqe, citate Shtesa abstrakte artikuj patate të skuqura për fletë mashtruese kureshtare tekste mësimore fjalori bazë dhe plotësues i termave të tjera Përmirësimi i teksteve dhe mësimevekorrigjimi i gabimeve në tekstin shkollor përditësimi i një fragmenti në tekstin shkollor elementet e inovacionit në mësim duke zëvendësuar njohuritë e vjetruara me të reja Vetëm për mësuesit leksione perfekte plani kalendar për vitin rekomandimet metodologjike të programit të diskutimit Mësime të integruara

Zbërthimi i bërthamave të uraniumit duke i bombarduar ato me neutrone u zbulua në vitin 1939 nga shkencëtarët gjermanë Otto Hahn dhe Fritz Strassmann.

Otto Hahn (1879-1968)
Fizikan gjerman, shkencëtar pionier në fushën e radiokimisë. Zbuloi ndarjen e uraniumit, një numër elementësh radioaktivë

Fritz Strassmann (1902-1980)
Fizikan dhe kimist gjerman. Punimet kanë të bëjnë me kiminë bërthamore, ndarjen bërthamore. I dha prova kimike procesit të ndarjes

Le të shqyrtojmë mekanizmin e këtij fenomeni. Figura 162, a përshkruan në mënyrë konvencionale bërthamën e një atomi të uraniumit. Duke thithur një neutron shtesë, bërthama ngacmohet dhe deformohet, duke marrë një formë të zgjatur (Fig. 162, b).

Oriz. 162. Procesi i ndarjes së një bërthame uraniumi nën ndikimin e një neutroni që ka rënë në të

Tashmë e dini se në bërthamë veprojnë dy lloje forcash: forcat refuzuese elektrostatike midis protoneve, të cilat tentojnë të thyejnë bërthamën, dhe forcat tërheqëse bërthamore midis të gjithë nukleoneve, për shkak të të cilave bërthama nuk prishet. Por forcat bërthamore janë me rreze të shkurtër, prandaj, në një bërthamë të zgjatur, ato nuk mund të mbajnë më pjesë të bërthamës që janë shumë të largëta nga njëra-tjetra. Nën veprimin e forcave repulsive elektrostatike, bërthama ndahet në dy pjesë (Fig. 162, c), të cilat shpërndahen në drejtime të ndryshme me shpejtësi të madhe dhe lëshojnë 2-3 neutrone.

Rezulton se një pjesë e energjisë së brendshme të bërthamës shndërrohet në energjinë kinetike të fragmenteve dhe grimcave fluturuese. Fragmentet ngadalësohen me shpejtësi në mjedis, si rezultat i së cilës energjia e tyre kinetike shndërrohet në energjinë e brendshme të mediumit (d.m.th., në energjinë e ndërveprimit dhe lëvizjes termike të grimcave përbërëse të tij).

Me ndarjen e njëkohshme të një numri të madh bërthamash të uraniumit, energjia e brendshme e mjedisit që rrethon uraniumin dhe, në përputhje me rrethanat, temperatura e tij rritet ndjeshëm (d.m.th., mjedisi nxehet).

Kështu, reagimi i ndarjes së bërthamave të uraniumit shkon me lëshimin e energjisë në mjedis.

Energjia që përmbahet në bërthamat e atomeve është kolosale. Për shembull, me ndarjen e plotë të të gjitha bërthamave të pranishme në 1 g uranium, do të çlirohej e njëjta sasi energjie që çlirohet gjatë djegies së 2.5 tonë naftë. Për të kthyer energjinë e brendshme të bërthamave atomike në energji elektrike, termocentralet bërthamore përdorin të ashtuquajturat reaksionet zinxhirore të ndarjes bërthamore.

Le të shqyrtojmë mekanizmin e reaksionit zinxhir të ndarjes bërthamore të izotopit të uraniumit. Bërthama e atomit të uraniumit (Fig. 163) si rezultat i kapjes së një neutroni u nda në dy pjesë, ndërsa lëshonte tre neutrone. Dy prej këtyre neutroneve shkaktuan reaksionin e ndarjes së dy bërthamave të tjera, duke prodhuar kështu katër neutrone. Këto, nga ana tjetër, shkaktuan ndarjen e katër bërthamave, pas së cilës u formuan nëntë neutrone, etj.

Një reaksion zinxhir është i mundur për faktin se gjatë ndarjes së çdo bërthame formohen 2-3 neutrone, të cilat mund të marrin pjesë në ndarjen e bërthamave të tjera.

Figura 163 tregon një diagram të një reaksioni zinxhir në të cilin numri i përgjithshëm i neutroneve të lira në një pjesë të uraniumit rritet si një ortek me kalimin e kohës. Në përputhje me rrethanat, numri i ndarjeve bërthamore dhe energjia e çliruar për njësi të kohës rriten ndjeshëm. Prandaj, një reagim i tillë është shpërthyes (ai zhvillohet në një bombë atomike).

Oriz. 163. Reaksioni zinxhir i zbërthimit të bërthamave të uraniumit

Një opsion tjetër është i mundur, në të cilin numri i neutroneve të lira zvogëlohet me kalimin e kohës. Në këtë rast, reaksioni zinxhir ndalet. Prandaj, një reagim i tillë nuk mund të përdoret as për të prodhuar energji elektrike.

Për qëllime paqësore, është e mundur të përdoret energjia vetëm e një reaksioni të tillë zinxhir në të cilin numri i neutroneve nuk ndryshon me kalimin e kohës.

Si të sigurohemi që numri i neutroneve të mbetet konstant gjatë gjithë kohës? Për të zgjidhur këtë problem, duhet të dini se cilët faktorë ndikojnë në rritjen dhe uljen e numrit të përgjithshëm të neutroneve të lira në një pjesë të uraniumit në të cilën ndodh një reaksion zinxhir.

Një faktor i tillë është masa e uraniumit. Fakti është se jo çdo neutron i emetuar gjatë ndarjes bërthamore shkakton ndarjen e bërthamave të tjera (shih Fig. 163). Nëse masa (dhe, në përputhje me rrethanat, madhësia) e një pjese të uraniumit është shumë e vogël, atëherë shumë neutrone do të fluturojnë prej saj, duke mos pasur kohë të takojnë bërthamën në rrugën e tyre, të shkaktojnë ndarjen e saj dhe kështu të gjenerojnë një brez të ri të neutronet e nevojshme për të vazhduar reaksionin. Në këtë rast, reaksioni zinxhir do të ndalet. Në mënyrë që reagimi të vazhdojë, është e nevojshme të rritet masa e uraniumit në një vlerë të caktuar, e quajtur kritike.

Pse një reaksion zinxhir bëhet i mundur me një rritje të masës? Sa më e madhe të jetë masa e një pjese, aq më të mëdha janë dimensionet e saj dhe aq më e gjatë është rruga që kalojnë neutronet në të. Në këtë rast, probabiliteti i takimit të neutroneve me bërthamat rritet. Prandaj, numri i ndarjeve bërthamore dhe numri i neutroneve të emetuara rritet.

Në një masë kritike të uraniumit, numri i neutroneve të prodhuara gjatë ndarjes bërthamore bëhet i barabartë me numrin e neutroneve të humbura (d.m.th., të kapur nga bërthamat pa ndarje dhe duke ikur nga copa).

Prandaj, numri i tyre i përgjithshëm mbetet i pandryshuar. Në këtë rast, reaksioni zinxhir mund të vazhdojë për një kohë të gjatë, pa u ndalur dhe pa marrë një karakter shpërthyes.

• Masa më e vogël e uraniumit në të cilën është e mundur një reaksion zinxhir quhet masa kritike.

Nëse masa e uraniumit është më shumë se kritike, atëherë si rezultat i një rritje të mprehtë të numrit të neutroneve të lira, reaksioni zinxhir çon në një shpërthim, dhe nëse është më pak se kritik, atëherë reagimi nuk vazhdon për shkak të një mungesa e neutroneve të lira.

Është e mundur të zvogëlohet humbja e neutroneve (të cilat fluturojnë nga uraniumi pa reaguar me bërthamat) jo vetëm duke rritur masën e uraniumit, por edhe duke përdorur një guaskë të veçantë reflektuese. Për ta bërë këtë, një pjesë e uraniumit vendoset në një guaskë të bërë nga një substancë që reflekton mirë neutronet (për shembull, berilium). Të reflektuara nga kjo guaskë, neutronet kthehen në uranium dhe mund të marrin pjesë në ndarjen bërthamore.

Ka disa faktorë të tjerë nga të cilët varet mundësia e një reaksioni zinxhir. Për shembull, nëse një pjesë e uraniumit përmban shumë papastërti të elementeve të tjerë kimikë, atëherë ata thithin shumicën e neutroneve dhe reaksioni ndalet.

Prania e të ashtuquajturit moderator neutron në uranium ndikon gjithashtu në rrjedhën e reaksionit. Fakti është se bërthamat e uranium-235 kanë më shumë gjasa të zbërthehen nën veprimin e neutroneve të ngadalta. Zbërthimi bërthamor prodhon neutrone të shpejta. Nëse neutronet e shpejta ngadalësohen, atëherë shumica e tyre do të kapen nga bërthamat e uraniumit-235 me ndarjen pasuese të këtyre bërthamave. Substanca të tilla si grafiti, uji, uji i rëndë (i cili përfshin deuteriumin, një izotop hidrogjeni me një numër masiv prej 2) dhe disa të tjerë përdoren si moderatorë. Këto substanca vetëm ngadalësojnë neutronet, pothuajse pa i thithur ato.

Kështu, mundësia e një reaksioni zinxhir përcaktohet nga masa e uraniumit, sasia e papastërtive në të, prania e një guaskë dhe një moderatori dhe disa faktorë të tjerë.

Masa kritike e një pjese sferike të uraniumit-235 është afërsisht 50 kg. Për më tepër, rrezja e tij është vetëm 9 cm, pasi uraniumi ka një densitet shumë të lartë.

Duke përdorur një moderator dhe një guaskë reflektuese dhe duke reduktuar sasinë e papastërtive, është e mundur të zvogëlohet masa kritike e uraniumit në 0.8 kg.

Pyetje

1. Pse mund të fillojë ndarja bërthamore vetëm kur deformohet nën veprimin e neutronit të zhytur?
2. Çfarë formohet si rezultat i ndarjes bërthamore?
3. Në çfarë energjie kalon një pjesë e energjisë së brendshme të bërthamës gjatë zbërthimit të saj; energjia kinetike e fragmenteve të bërthamës së uraniumit gjatë ngadalësimit të tyre në mjedis?
4. Si vazhdon reaksioni i ndarjes së bërthamave të uraniumit - me lëshimin e energjisë në mjedis ose, anasjelltas, me thithjen e energjisë?
5. Përshkruani mekanizmin e një reaksioni zinxhir duke përdorur Figurën 163.
6. Cila është masa kritike e uraniumit?
7. A është e mundur që një reaksion zinxhir të ndodhë nëse masa e uraniumit është më e vogël se ajo kritike; më kritike? Pse?

Studimi i ndërveprimit të neutroneve me lëndën çoi në zbulimin e reaksioneve bërthamore të një lloji të ri. Në vitin 1939, O. Hahn dhe F. Strassmann hetuan produktet kimike që rezultojnë nga bombardimi i bërthamave të uraniumit me neutrone. Ndër produktet e reagimit, u gjet barium - një element kimik me një masë shumë më të vogël se ajo e uraniumit. Problemi u zgjidh nga fizikanët gjermanë L. Meitneroma dhe O. Frisch, të cilët treguan se kur neutronet absorbohen nga uraniumi, bërthama ndahet në dy fragmente:

Ku k > 1.

Gjatë ndarjes së një bërthame uraniumi, një neutron termik me një energji prej ~ 0,1 eV lëshon një energji prej ~ 200 MeV. Çështja thelbësore është se ky proces shoqërohet me shfaqjen e neutroneve të aftë për të shkaktuar ndarje të bërthamave të tjera të uraniumit, - reaksioni zinxhir i ndarjes . Kështu, një neutron mund të krijojë një zinxhir të degëzuar të ndarjes bërthamore dhe numri i bërthamave të përfshira në reaksionin e ndarjes do të rritet në mënyrë eksponenciale. Perspektivat për përdorimin e një reaksioni zinxhir të ndarjes janë hapur në dy drejtime:

· reaksioni i kontrolluar i ndarjes bërthamore- krijimi i reaktorëve bërthamorë;

· reaksion i pakontrolluar i ndarjes bërthamore- Krijimi i armëve bërthamore.

Në vitin 1942 u ndërtua reaktori i parë bërthamor në SHBA. Në BRSS, reaktori i parë u lançua në vitin 1946. Aktualisht, energjia termike dhe elektrike prodhohet në qindra reaktorë bërthamorë që veprojnë në vende të ndryshme të botës.

Siç shihet nga fig. 4.2, me vlerë në rritje A energjia specifike e lidhjes rritet deri në A» 50. Kjo sjellje mund të shpjegohet me shtimin e forcave; Energjia lidhëse e një nukleoni individual rritet nëse ai tërhiqet jo nga një ose dy, por nga disa nukleone të tjerë. Megjithatë, në elementët me vlera të numrit në masë janë më të mëdha se A» 50 energjia specifike e lidhjes zvogëlohet gradualisht me rritjen A. Kjo është për shkak të faktit se forcat bërthamore të tërheqjes janë diapazon me rreze të shkurtër të rendit të madhësisë së një nukleoni individual. Jashtë kësaj rreze, mbizotërojnë forcat e sprapsjes elektrostatike. Nëse dy protone hiqen me më shumë se 2.5 × 10 - 15 m, atëherë forcat e zmbrapsjes së Kulombit mbizotërojnë midis tyre dhe jo tërheqja bërthamore.

Pasoja e kësaj sjelljeje të energjisë specifike lidhëse në varësi të Aështë ekzistenca e dy proceseve - shkrirja dhe ndarja e bërthamave . Merrni parasysh bashkëveprimin e një elektroni dhe një protoni. Kur formohet një atom hidrogjeni, lirohet një energji prej 13.6 eV dhe masa e atomit të hidrogjenit rezulton të jetë 13.6 eV më pak se shuma e masave të një elektroni të lirë dhe një protoni. Në mënyrë të ngjashme, masa e dy bërthamave të lehta e tejkalon masën pas lidhjes së tyre në D M. Nëse ato janë të lidhura, ato do të bashkohen me çlirimin e energjisë D ZNJ 2. Ky proces quhet sinteza bërthamore . Diferenca në masë mund të kalojë 0.5%.

Nëse një bërthamë e rëndë ndahet në dy bërthama më të lehta, atëherë masa e tyre do të jetë më e vogël se masa e bërthamës mëmë me 0,1%. Bërthamat e rënda priren të ndarje në dy bërthama më të lehta me çlirim energjie. Energjia e bombës atomike dhe reaktorit bërthamor është energjia , lëshuar gjatë ndarjes bërthamore . Energjia e bombës H është energjia e çliruar gjatë shkrirjes bërthamore. Prishja alfa mund të shihet si një ndarje shumë asimetrike në të cilën bërthama mëmë M ndahet në një grimcë të vogël alfa dhe një bërthamë të madhe të mbetur. Kalbja alfa është e mundur vetëm nëse reagimi

peshë M rezulton të jetë më e madhe se shuma e masave dhe grimca alfa. Të gjitha bërthamat me Z> 82 (plumb). Z> Gjysmëjeta e kalbjes së alfa 92 (uraniumi) është shumë më e gjatë se mosha e Tokës, dhe elementë të tillë nuk ndodhin në natyrë. Sidoqoftë, ato mund të krijohen artificialisht. Për shembull, plutoniumi ( Z= 94) mund të merret nga uraniumi në një reaktor bërthamor. Kjo procedurë është bërë e zakonshme dhe kushton vetëm 15 dollarë për 1 g. Deri tani është mundur të merren elementë deri në Z= 118, por me një çmim shumë më të lartë dhe, si rregull, në sasi të papërfillshme. Mund të shpresohet se radiokimiistët do të mësojnë se si të marrin, megjithëse në sasi të vogla, elementë të rinj me Z> 118.

Nëse një bërthamë masive e uraniumit mund të ndahej në dy grupe nukleonesh, atëherë këto grupe nukleonesh do të riorganizoheshin në bërthama me një lidhje më të fortë. Në procesin e ristrukturimit, energjia do të çlirohej. Zbërthimi spontan bërthamor lejohet nga ligji i ruajtjes së energjisë. Sidoqoftë, pengesa e mundshme në reaksionin e ndarjes së bërthamave që ndodhin natyrshëm është aq e lartë sa që probabiliteti i ndarjes spontane është shumë më i vogël se probabiliteti i kalbjes alfa. Gjysma e jetës së 238 bërthamave U në lidhje me ndarjen spontane është 8×10 15 vjet. Kjo është më shumë se një milion herë mosha e Tokës. Nëse një neutron përplaset me një bërthamë të rëndë, atëherë ai mund të shkojë në një nivel më të lartë energjie afër majës së pengesës potenciale elektrostatike, si rezultat, probabiliteti i ndarjes do të rritet. Bërthama në një gjendje të ngacmuar mund të ketë një moment të konsiderueshëm këndor dhe të marrë një formë ovale. Vendet në periferi të bërthamës depërtojnë më lehtë në barrierë, pasi ato janë pjesërisht tashmë pas pengesës. Në një bërthamë në formë ovale, roli i barrierës dobësohet edhe më shumë. Kur kapet një bërthamë ose një neutron i ngadalshëm, formohen gjendje me jetëgjatësi shumë të shkurtër në krahasim me ndarjen. Dallimi midis masave të bërthamës së uraniumit dhe produkteve tipike të ndarjes është i tillë që, mesatarisht, 200 MeV energji lirohet gjatë ndarjes së uraniumit. Masa e mbetur e bërthamës së uraniumit është 2.2×105 MeV. Rreth 0,1% e kësaj mase shndërrohet në energji, e cila është e barabartë me raportin 200 MeV me 2,2 × 10 5 MeV.

Vlerësimi i energjisë,lirohet gjatë ndarjes,mund të merret nga Formulat e Weizsäcker :

Kur një bërthamë ndahet në dy fragmente, energjia sipërfaqësore dhe energjia e Kulonit ndryshojnë , me energjinë sipërfaqësore në rritje dhe energjinë e Kulonit në rënie. Fizioni është i mundur kur energjia e çliruar gjatë zbërthimit është E > 0.

.

Këtu A 1 = A/2, Z 1 = Z/2. Nga kjo marrim se ndarja është energjikisht e favorshme kur Z 2 /A> 17. Vlera Z 2 /A thirrur parametri i pjesëtueshmërisë . Energjisë E, i lëshuar gjatë pjesëtimit, rritet me rritjen Z 2 /A.

Në procesin e ndarjes, bërthama ndryshon formën - ajo kalon në mënyrë sekuenciale nëpër fazat e mëposhtme (Fig. 9.4): një top, një elipsoid, një trap, dy fragmente në formë dardhe, dy fragmente sferike.

Pasi të ketë ndodhur ndarja dhe fragmentet të jenë ndarë nga njëri-tjetri në një distancë shumë më të madhe se rrezja e tyre, energjia potenciale e fragmenteve, e përcaktuar nga ndërveprimi i Kulombit midis tyre, mund të konsiderohet e barabartë me zero.

Për shkak të evolucionit të formës së bërthamës, ndryshimi në energjinë e saj potenciale përcaktohet nga ndryshimi në shumën e sipërfaqes dhe energjive të Kulonit. . Supozohet se vëllimi i bërthamës mbetet i pandryshuar gjatë deformimit. Në këtë rast, energjia sipërfaqësore rritet, pasi sipërfaqja e bërthamës rritet. Energjia e Kulonit zvogëlohet ndërsa distanca mesatare midis nukleoneve rritet. Në rastin e deformimeve të vogla elipsoidale, rritja e energjisë sipërfaqësore ndodh më shpejt se ulja e energjisë së Kulonit.

Në rajonin e bërthamave të rënda, shuma e energjive të sipërfaqes dhe të Kulonit rritet me sforcimin. Në deformime të vogla elipsoidale, një rritje në energjinë sipërfaqësore parandalon një ndryshim të mëtejshëm të formës së bërthamës dhe rrjedhimisht ndarjen. Prania e një pengese potenciale parandalon ndarjen e menjëhershme spontane bërthamore. Në mënyrë që bërthama të ndahet menjëherë, duhet të furnizohet me energji që tejkalon lartësinë e pengesës së ndarjes. H.

lartësia e pengesës H sa më i madh, aq më i vogël është raporti i energjisë së Kulonit dhe sipërfaqes në bërthamën fillestare. Ky raport, nga ana tjetër, rritet me rritjen e parametrit të pjesëtueshmërisë Z 2 /A. Sa më e rëndë të jetë bërthama, aq më e ulët është lartësia e pengesës H, meqenëse parametri i pjesëtueshmërisë rritet me rritjen e numrit të masës:

Bërthamat më të rënda në përgjithësi duhet të furnizohen me më pak energji për të shkaktuar ndarje. Nga formula Weizsäcker rrjedh se lartësia e pengesës së ndarjes zhduket në . Ato. Sipas modelit të rënies, nuk duhet të ketë bërthama në natyrë, pasi ato shpërbëhen spontanisht pothuajse menjëherë (mbi një kohë karakteristike bërthamore të rendit 10-22 s). Ekzistenca e bërthamave atomike me (" ishulli i stabilitetit ”) shpjegohet me strukturën e guaskës së bërthamave atomike. Fision spontan bërthamor me , për të cilën lartësia e pengesës H nuk është e barabartë me zero, nga pikëpamja e fizikës klasike është e pamundur. Nga pikëpamja e mekanikës kuantike, një ndarje e tillë është e mundur si rezultat i kalimit të fragmenteve përmes një pengese potenciale dhe quhet ndarje spontane . Probabiliteti i ndarjes spontane rritet me rritjen e parametrit të ndarjes, d.m.th. me ulje të lartësisë së pengesës së ndarjes.

Fision i detyruar bërthamor mund të shkaktohet nga çdo grimcë: fotone, neutrone, protone, deuterone, grimca α, etj., nëse energjia që ato kontribuojnë në bërthamë është e mjaftueshme për të kapërcyer pengesën e ndarjes.

Masat e fragmenteve të formuara gjatë ndarjes nga neutronet termike nuk janë të barabarta. Bërthama tenton të ndahet në atë mënyrë që pjesa kryesore e nukleoneve të fragmentit të formojë një bërthamë të qëndrueshme magjike. Në fig. 9.5 tregon shpërndarjen e masës gjatë pjesëtimit. Kombinimi më i mundshëm i numrave në masë është 95 dhe 139.

Raporti i numrit të neutroneve me numrin e protoneve në bërthamë është 1,55, ndërsa për elementët e qëndrueshëm me masë afër masës së fragmenteve të ndarjes, ky raport është 1,25 - 1,45. Rrjedhimisht, fragmentet e ndarjes janë të mbingarkuara shumë me neutrone dhe janë të paqëndrueshme ndaj β-kalbjes - ato janë radioaktive.

Si rezultat i ndarjes, çlirohet energji ~ 200 MeV. Rreth 80% e saj llogaritet nga energjia e fragmentit. Në një akt të ndarjes, më shumë se dy neutronet e ndarjes me një energji mesatare prej ~ 2 MeV.

1 g çdo substancë përmban . Zbërthimi i 1 g uranium shoqërohet me çlirimin e ~ 9×10 10 J. Kjo është pothuajse 3 milion herë më e madhe se energjia e djegies së 1 g qymyr (2.9×10 4 J). Sigurisht, 1 g uranium kushton shumë më tepër se 1 g qymyr, por kostoja e 1 J energji e përftuar nga djegia e qymyrit rezulton të jetë 400 herë më e lartë se në rastin e karburantit të uraniumit. Prodhimi i 1 kWh energji kushton 1.7 cent në termocentralet me qymyr dhe 1.05 cent në termocentralet bërthamore.

Falë reaksion zinxhir mund të bëhet procesi i ndarjes bërthamore i vetëqëndrueshëm . Me çdo ndarje, 2 ose 3 neutrone emetohen (Fig. 9.6). Nëse njëri prej këtyre neutroneve arrin të shkaktojë ndarjen e një bërthame tjetër të uraniumit, atëherë procesi do të jetë i vetëqëndrueshëm.

Kompleti i materialit të zbërthyeshëm që plotëson këtë kërkesë quhet montim kritik . Asambleja e parë e tillë, e quajtur reaktor bërthamor , është ndërtuar në vitin 1942 nën drejtimin e Enrico Fermi në kampusin e Universitetit të Çikagos. Reaktori i parë bërthamor u lëshua në 1946 nën udhëheqjen e I. Kurchatov në Moskë. Termocentrali i parë bërthamor me kapacitet 5 MW u lançua në BRSS në vitin 1954 në qytetin Obninsk (Fig. 9.7).

masë dhe ju gjithashtu mund të bëni superkritike . Në këtë rast, neutronet e prodhuara gjatë ndarjes do të shkaktojnë disa ndarje dytësore. Për shkak se neutronet udhëtojnë me shpejtësi më të madhe se 10 8 cm/s, një grup superkritik mund të reagojë plotësisht (ose të largohet) në më pak se një të mijtën e sekondës. Një pajisje e tillë quhet Bombë atomike . Një ngarkesë bërthamore e bërë nga plutonium ose uranium transferohet në një gjendje superkritike, zakonisht me anë të një shpërthimi. Masa nënkritike është e rrethuar nga eksplozivë kimikë. Gjatë shpërthimit të tij, masa e plutoniumit ose uraniumit i nënshtrohet ngjeshjes së menjëhershme. Meqenëse dendësia e sferës në këtë rast rritet ndjeshëm, shkalla e përthithjes së neutroneve rezulton të jetë më e lartë se shkalla e humbjes së neutroneve për shkak të emetimit të tyre jashtë. Ky është kushti i superkriticitetit.

Në fig. 9.8 tregon një diagram të bombës atomike "Kid" të hedhur në Hiroshima. Shërbeu si një eksploziv bërthamor në një bombë, e ndarë në dy pjesë, masa e së cilës ishte më pak se kritike. Masa kritike e nevojshme për shpërthimin u krijua duke lidhur të dyja pjesët me "metodën e topit" duke përdorur eksplozivë konvencionalë.

Një shpërthim prej 1 ton trinitrotoluen (TNT) lëshon 10 9 cal, ose 4×10 9 J. Një shpërthim i një bombe atomike që konsumon 1 kg plutonium çliron rreth 8×10 13 J energji.

Ose është pothuajse 20,000 herë më shumë se në shpërthimin e 1 ton TNT. Një bombë e tillë quhet bombë 20 kilotonëshe. Bombat e sotme megaton janë miliona herë më të fuqishme se eksplozivët konvencionalë TNT.

Prodhimi i plutoniumit bazohet në rrezatimin e 238 U me neutrone, duke çuar në formimin e izotopit 239 U, i cili, si rezultat i zbërthimit beta, shndërrohet në 239 Np, dhe më pas, pas një zbërthimi tjetër beta, në 239 Pu. Kur një neutron me energji të ulët absorbohet, të dy izotopet 235 U dhe 239 Pu i nënshtrohen ndarjes. Produktet e ndarjes karakterizohen nga një lidhje më e fortë (~ 1 MeV për nukleon), për shkak të së cilës rreth 200 MeV energji lirohet si rezultat i ndarjes.

Çdo gram plutonium ose uranium i shpenzuar krijon pothuajse një gram produkte të ndarjes radioaktive, të cilat kanë radioaktivitet të madh.

Për të parë demonstrimet, klikoni në lidhjen e duhur:

Fisioni i bërthamave të uraniumit u zbulua në vitin 1938 nga shkencëtarët gjermanë O. Hahn dhe F. Strassmann. Ata arritën të konstatojnë se kur bombardohen bërthamat e uraniumit me neutrone, formohen elemente të pjesës së mesme të sistemit periodik: barium, kripton etj. Interpretimin e saktë të këtij fakti e dhanë fizikani austriak L. Meitner dhe fizikani anglez O. Frisch. . Ata shpjeguan shfaqjen e këtyre elementeve me kalbjen e bërthamave të uraniumit, të cilat kapën një neutron, në dy pjesë afërsisht të barabarta. Ky fenomen quhet ndarje bërthamore, dhe bërthamat që rezultojnë quhen fragmente të ndarjes.

Shiko gjithashtu

1. Vasiliev, A. Fisioni i uraniumit: nga Klaproth në Gan, Kvant. - 2001. - Nr 4. - S. 20-21.30.

Modeli i rënies së bërthamës

Ky reaksion i ndarjes mund të shpjegohet bazuar në modelin e rënies së bërthamës. Në këtë model, bërthama konsiderohet si një pikë e një lëngu të pangjeshur me ngarkesë elektrike. Përveç forcave bërthamore që veprojnë midis të gjitha nukleoneve të bërthamës, protonet përjetojnë një zmbrapsje shtesë elektrostatike, për shkak të së cilës ato ndodhen në periferi të bërthamës. Në gjendjen e pangacmuar, forcat e sprapsjes elektrostatike kompensohen, kështu që bërthama ka një formë sferike (Fig. 1a).

Pas kapjes nga bërthama \(~^(235)_(92)U\) të një neutroni, formohet një bërthamë e ndërmjetme \(~(^(236)_(92)U)^*\), e cila është në gjendje të emocionuar. Në këtë rast, energjia e neutronit shpërndahet në mënyrë të barabartë midis të gjithë nukleoneve, dhe vetë bërthama e ndërmjetme deformohet dhe fillon të lëkundet. Nëse ngacmimi është i vogël, atëherë bërthama (Fig. 1, b), duke u çliruar nga energjia e tepërt duke emetuar γ -kuantike ose neutron, kthehet në një gjendje të qëndrueshme. Nëse energjia e ngacmimit është mjaft e lartë, atëherë deformimi i bërthamës gjatë dridhjeve mund të jetë aq i madh sa të krijohet një shtrëngim në të (Fig. 1c), i ngjashëm me shtrëngimin midis dy pjesëve të një pikë lëngu ndarës. Forcat bërthamore që veprojnë në një bel të ngushtë nuk mund t'i rezistojnë më forcës së konsiderueshme të Kulombit të zmbrapsjes së pjesëve të bërthamës. Shtrëngimi thyhet dhe bërthama ndahet në dy "fragmente" (Fig. 1d), të cilat shpërndahen në drejtime të kundërta.

uran.swf Blic: ndarja e uraniumit Zmadhoni flashin Fig. 2.

Aktualisht njihen rreth 100 izotopë të ndryshëm me numër masiv nga rreth 90 deri në 145, që lindin nga ndarja e kësaj bërthame. Dy reaksione tipike të ndarjes së kësaj bërthame kanë formën:

\(~^(235)_(92)U + \ ^1_0n \ ^(\afër)_(\searrow) \ \fillimi(matrica) ^(144)_(56)Ba + \ ^(89)_( 36)Kr + \ 3^1_0n \\ ^(140)_(54)Xe + \ ^(94)_(38)Sr + \ 2^1_0n \fund(matricë)\) .

Vini re se si rezultat i ndarjes bërthamore të nisur nga një neutron, prodhohen neutrone të reja që mund të shkaktojnë reaksione të ndarjes në bërthama të tjera. Produktet e zbërthimit të bërthamave të uraniumit-235 mund të jenë edhe izotopë të tjerë të bariumit, ksenonit, stronciumit, rubidiumit etj.

Gjatë ndarjes së bërthamave të atomeve të rënda (\(~^(235)_(92)U\)) lirohet një energji shumë e madhe - rreth 200 MeV gjatë ndarjes së çdo bërthame. Rreth 80% e kësaj energjie çlirohet në formën e fragmentit të energjisë kinetike; 20% e mbetur llogaritet nga energjia e rrezatimit radioaktiv të fragmenteve dhe energjia kinetike e neutroneve të shpejta.

Energjia e çliruar gjatë ndarjes bërthamore mund të vlerësohet duke përdorur energjinë specifike të lidhjes së nukleoneve në bërthamë. Energjia specifike e lidhjes së nukleoneve në bërthama me një numër masiv A≈ 240 të rendit 7,6 MeV/nukleon, ndërsa në bërthamat me numra masiv A= 90 – 145 energjia specifike është afërsisht e barabartë me 8.5 MeV/nukleon. Prandaj, ndarja e një bërthame uraniumi lëshon një energji të rendit 0.9 MeV/nukleon, ose afërsisht 210 MeV për atom uraniumi. Me ndarjen e plotë të të gjitha bërthamave që përmban 1 g uranium, lirohet e njëjta energji si gjatë djegies së 3 tonë qymyr ose 2,5 ton naftë.

Shiko gjithashtu

1. Varlamov A.A. Modeli i rënies së bërthamës // Kvant. - 1986. - Nr. 5. - S. 23-24

Reaksion zinxhir

Reaksion zinxhir- një reaksion bërthamor në të cilin grimcat që shkaktojnë reaksionin formohen si produkte të këtij reaksioni.

Në ndarjen e një bërthame uranium-235, e cila shkaktohet nga një përplasje me një neutron, lirohen 2 ose 3 neutrone. Në kushte të favorshme, këto neutrone mund të godasin bërthamat e tjera të uraniumit dhe të shkaktojnë ndarje të tyre. Në këtë fazë, tashmë do të shfaqen nga 4 deri në 9 neutrone, të aftë për të shkaktuar prishje të reja të bërthamave të uraniumit, etj. Një proces i tillë si orteku quhet një reaksion zinxhir. Skema për zhvillimin e një reaksioni zinxhir të ndarjes së bërthamave të uraniumit është paraqitur në fig. 3.

reagim.swf Blic: reaksion zinxhir Zmadho Flash Fig. 4.

Uraniumi gjendet në natyrë në formën e dy izotopeve \[~^(238)_(92)U\] (99.3%) dhe \(~^(235)_(92)U\) (0.7%). Kur bombardohen nga neutronet, bërthamat e të dy izotopeve mund të ndahen në dy fragmente. Në këtë rast, reaksioni i ndarjes \(~^(235)_(92)U\) vazhdon më intensivisht në neutrone të ngadalta (termike), ndërsa bërthamat \(~^(238)_(92)U\) hyjnë në zbërthimi i reaksionit vetëm me neutrone të shpejta me energji të rendit 1 MeV. Përndryshe, energjia e ngacmimit të bërthamave të formuara \(~^(239)_(92)U\) është e pamjaftueshme për ndarje, dhe më pas në vend të ndarjes ndodhin reaksionet bërthamore:

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

Izotopi i uraniumit \(~^(238)_(92)U\) β -radioaktive, gjysma e jetës 23 min. Izotopi i neptuniumit \(~^(239)_(93)Np\) është gjithashtu radioaktiv, me një gjysmë jetëgjatësi prej rreth 2 ditësh.

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

Izotopi i plutoniumit \(~^(239)_(94)Np\) është relativisht i qëndrueshëm, me një gjysmë jetëgjatësi prej 24,000 vjetësh. Vetia më e rëndësishme e plutoniumit është se ai është i zbërthyeshëm nën ndikimin e neutroneve në të njëjtën mënyrë si \(~^(235)_(92)U\). Prandaj, me ndihmën e \(~^(239)_(94)Np\) mund të kryhet një reaksion zinxhir.

Skema e reaksionit zinxhir të diskutuar më sipër është një rast ideal. Në kushte reale, jo të gjithë neutronet e prodhuara gjatë ndarjes marrin pjesë në ndarjen e bërthamave të tjera. Disa prej tyre janë kapur nga bërthama jo të zbërthyeshme të atomeve të huaja, të tjera fluturojnë jashtë uraniumit (rrjedhje neutron).

Prandaj, reaksioni zinxhir i ndarjes së bërthamave të rënda nuk ndodh gjithmonë dhe jo për ndonjë masë të uraniumit.

Faktori i shumëzimit të neutronit

Zhvillimi i një reaksioni zinxhir karakterizohet nga i ashtuquajturi faktori i shumëzimit të neutronit TE, e cila matet me raportin e numrit N i neutroneve që shkaktojnë ndarje bërthamore të materies në një nga fazat e reaksionit, ndaj numrit N neutronet i-1 që shkaktuan ndarje në fazën e mëparshme të reaksionit:

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

Faktori i shumëzimit varet nga një sërë faktorësh, në veçanti, nga natyra dhe sasia e materialit të zbërthyer dhe nga forma gjeometrike e vëllimit që ai zë. E njëjta sasi e një substance të caktuar ka një vlerë të ndryshme TE. TE maksimumi nëse substanca ka një formë sferike, pasi në këtë rast humbja e neutroneve të shpejta nëpër sipërfaqe do të jetë më e vogla.

Masa e materialit të zbërthyeshëm në të cilin reaksioni zinxhir vazhdon me faktorin e shumëzimit TE= 1 quhet masa kritike. Në copa të vogla të uraniumit, shumica e neutroneve, pa goditur asnjë bërthamë, fluturojnë jashtë.

Vlera e masës kritike përcaktohet nga gjeometria e sistemit fizik, struktura e tij dhe mjedisi i jashtëm. Pra, për një top me uranium të pastër \(~^(235)_(92)U\) masa kritike është 47 kg (një top me diametër 17 cm). Masa kritike e uraniumit mund të reduktohet shumë herë duke përdorur të ashtuquajturit moderatorë neutron. Fakti është se neutronet e prodhuara gjatë kalbjes së bërthamave të uraniumit kanë shpejtësi shumë të larta, dhe probabiliteti i kapjes së neutroneve të ngadalta nga bërthamat e uraniumit-235 është qindra herë më i madh se ai i atyre të shpejtë. Moderatori më i mirë i neutroneve është uji i rëndë D 2 O. Kur ndërvepron me neutronet, vetë uji i zakonshëm shndërrohet në ujë të rëndë.

Një moderator i mirë është edhe grafiti, bërthamat e të cilit nuk thithin neutronet. Pas ndërveprimit elastik me bërthamat e deuteriumit ose karbonit, neutronet ngadalësohen në shpejtësi termike.

Përdorimi i moderatorëve të neutronit dhe një guaskë speciale beriliumi që pasqyron neutronet bën të mundur uljen e masës kritike në 250 g.

Me një faktor shumëzimi TE= 1 numri i bërthamave të zbërthyeshme mbahet në një nivel konstant. Kjo mënyrë ofrohet në reaktorët bërthamorë.

Nëse masa e karburantit bërthamor është më e vogël se masa kritike, atëherë faktori i shumëzimit TE < 1; каждое новое поколение вызывает все меньшее и меньшее число делений, и реакция без внешнего источника нейтронов быстро затухает.

Nëse masa e karburantit bërthamor është më e madhe se ajo kritike, atëherë faktori i shumëzimit TE> 1 dhe çdo gjeneratë e re neutronesh shkakton një numër në rritje të ndarjeve. Reaksioni zinxhir rritet si një ortek dhe ka karakterin e një shpërthimi, i shoqëruar nga një çlirim i madh energjie dhe një rritje e temperaturës së ambientit në disa miliona gradë. Një reaksion zinxhir i këtij lloji ndodh kur një bombë atomike shpërthen.

Bombe berthamore

Në gjendje normale, një bombë bërthamore nuk shpërthen sepse ngarkesa bërthamore në të ndahet në disa pjesë të vogla nga ndarjet që thithin produktet e kalbjes së uraniumit - neutronet. Reaksioni zinxhir bërthamor që shkakton një shpërthim bërthamor nuk mund të mbahet në kushte të tilla. Sidoqoftë, nëse fragmentet e ngarkesës bërthamore janë të lidhura së bashku, atëherë masa e tyre totale do të jetë e mjaftueshme që reaksioni zinxhir i ndarjes së uraniumit të fillojë të zhvillohet. Rezultati është një shpërthim bërthamor. Në të njëjtën kohë, fuqia e shpërthimit e zhvilluar nga një bombë bërthamore relativisht e vogël është e barabartë me fuqinë e lëshuar gjatë shpërthimit të miliona e miliarda ton TNT.

Oriz. 5. Bombë atomike

Qëllimi: të krijojë të kuptuarit e nxënësve për ndarjen e bërthamave të uraniumit.

• kontrolloni materialin e studiuar më parë;
• konsideroni mekanizmin e ndarjes së bërthamës së uraniumit;
• konsideroni kushtin për shfaqjen e një reaksioni zinxhir;
• zbuloni faktorët që ndikojnë në rrjedhën e një reaksioni zinxhir;
• të zhvillojë të folurit dhe të menduarit e nxënësve;
• zhvillojnë aftësinë për të analizuar, kontrolluar dhe rregulluar aktivitetet e tyre brenda një kohe të caktuar.

Pajisjet: kompjuter, sistem projeksioni, material didaktik (test “Përbërja e bërthamës”), disqe “Kurs ndërveprues. Fizikë 7-11kl ”(Fizikon) dhe“ 1C-përsëritës. Fizikë” (1C).

Ecuria e mësimit

I. Momenti organizativ (2').

Përshëndetje, njoftim për planin e mësimit.

II. Përsëritja e materialit të studiuar më parë (8').

Puna e pavarur e studentëve - kryerja e një testi ( Shtojca 1 ). Në test, duhet të tregoni një përgjigje të saktë.

III. Mësimi i materialit të ri (25'). Ndërsa mësimi përparon, ne bëjmë një përmbledhje(aplikimi 2 ).

Kohët e fundit mësuam se disa elementë kimikë shndërrohen në elementë të tjerë kimikë gjatë zbërthimit radioaktiv. Dhe çfarë mendoni se do të ndodhë nëse një grimcë drejtohet në bërthamën e një atomi të një elementi të caktuar kimik, mirë, për shembull, një neutron në bërthamën e uraniumit? (dëgjoni sugjerimet e studentëve)

Le të kontrollojmë supozimet tuaja (punoni me modelin interaktiv "Nuclear Fission"“Kurs interaktiv. fizikë 7-11 kl” ).

Cili ishte rezultati?

- Kur një neutron godet bërthamën e uraniumit, shohim se si rezultat formohen 2 fragmente dhe 2-3 neutrone.

I njëjti efekt u mor në vitin 1939 nga shkencëtarët gjermanë Otto Hahn dhe Fritz Strassmann. Ata zbuluan se si rezultat i ndërveprimit të neutroneve me bërthamat e uraniumit, shfaqen bërthama të fragmenteve radioaktive, masat dhe ngarkesat e të cilave janë afërsisht gjysma e karakteristikave përkatëse të bërthamave të uraniumit. Fisioni bërthamor që ndodh në këtë mënyrë quhet ndarje e detyruar, në ndryshim nga ndarja spontane, e cila ndodh gjatë transformimeve natyrore radioaktive.

Bërthama hyn në një gjendje ngacmimi dhe fillon të deformohet. Pse bërthama ndahet në 2 pjesë? Cilat forca shkaktojnë thyerjen?

Cilat forca veprojnë brenda bërthamës?

– Elektrostatike dhe bërthamore.

Mirë, pra si manifestohen forcat elektrostatike?

– Forcat elektrostatike veprojnë ndërmjet grimcave të ngarkuara. Grimca e ngarkuar në bërthamë është protoni. Meqenëse protoni është i ngarkuar pozitivisht, kjo do të thotë se forcat refuzuese veprojnë midis tyre.

E drejtë, por si manifestohen forcat bërthamore?

– Forcat bërthamore janë forca tërheqëse ndërmjet të gjithë nukleoneve.

Pra, nën veprimin e çfarë forcave thyhet bërthama?

- (Nëse ka ndonjë vështirësi, bëj pyetje drejtuese dhe i çoj nxënësit në përfundimin e saktë) Nën ndikimin e forcave repulsive elektrostatike, bërthama ndahet në dy pjesë, të cilat shpërndahen në drejtime të ndryshme dhe lëshojnë 2-3 neutrone.

Fragmentet shpërndahen me një shpejtësi shumë të madhe. Rezulton se një pjesë e energjisë së brendshme të bërthamës shndërrohet në energjinë kinetike të fragmenteve dhe grimcave fluturuese. Fragmentet lëshohen në mjedis. Çfarë mendoni se po ndodh me ta?

– Fragmentet ngadalësohen në mjedis.

Për të mos shkelur ligjin e ruajtjes së energjisë, duhet të themi se çfarë do të ndodhë me energjinë kinetike?

– Energjia kinetike e fragmenteve shndërrohet në energji të brendshme të mediumit.

A mund të vërehet se energjia e brendshme e mediumit ka ndryshuar?

Po, ambienti po ngrohet.

Por a do të ndikohet ndryshimi në energjinë e brendshme nga faktori që një numër i ndryshëm bërthamash uraniumi do të marrin pjesë në ndarje?

- Sigurisht, me ndarjen e njëkohshme të një numri të madh bërthamash të uraniumit, rritet energjia e brendshme e mjedisit që rrethon uraniumin.

Nga kursi i kimisë, ju e dini se reaksionet mund të ndodhin si me thithjen e energjisë ashtu edhe me lëshimin. Çfarë mund të themi për rrjedhën e reaksionit të ndarjes së uraniumit?

- Reagimi i ndarjes së bërthamave të uraniumit shkon me çlirimin e energjisë në mjedis.

Energjia që përmbahet në bërthamat e atomeve është kolosale. Për shembull, me ndarjen e plotë të të gjitha bërthamave të pranishme në 1 g uranium, do të çlirohej e njëjta sasi energjie që çlirohet gjatë djegies së 2.5 tonë naftë. Kuptova se çfarë do të ndodhë me copëzat Si do të sillen neutronet?

– (Dëgjoj supozimet e studentëve, kontrolloj supozimet, duke punuar me modelin interaktiv "Reagimi zinxhir""Përsëritës 1C. fizikë" ).

Vërtetë, neutronet në rrugën e tyre mund të takohen me bërthamat e uraniumit dhe të shkaktojnë ndarje. Një reagim i tillë quhet reaksion zinxhir.

Pra, cili është kushti që të ndodhë një reaksion zinxhir?

- Një reaksion zinxhir është i mundur për faktin se gjatë ndarjes së çdo bërthame formohen 2-3 neutrone, të cilat mund të marrin pjesë në ndarjen e bërthamave të tjera.

Ne shohim se numri i përgjithshëm i neutroneve të lira në një pjesë të uraniumit rritet si një ortek me kalimin e kohës. Në çfarë mund të çojë kjo?

- Tek shpërthimi.

- Numri i ndarjes bërthamore rritet dhe, në përputhje me rrethanat, energjia e çliruar për njësi të kohës.

Por në fund të fundit, është gjithashtu i mundur një opsion tjetër, në të cilin numri i neutroneve të lira zvogëlohet me kalimin e kohës, bërthama nuk e takoi neutronin në rrugën e tij. Në këtë rast çfarë ndodh me reaksionin zinxhir?

- Do të ndalet.

A mund të përdoret energjia e reagimeve të tilla për qëllime paqësore?

Si duhet të vazhdojë reagimi?

Reaksioni duhet të vazhdojë në atë mënyrë që numri i neutroneve të mbetet konstant me kalimin e kohës.

Si është e mundur të sigurohet që numri i neutroneve të mbetet konstant gjatë gjithë kohës?

- (sugjerimet e fëmijëve)

Për të zgjidhur këtë problem, është e nevojshme të dihet se cilët faktorë ndikojnë në rritjen dhe uljen e numrit të përgjithshëm të neutroneve të lira në një pjesë të uraniumit në të cilën zhvillohet një reaksion zinxhir.

Një nga këta faktorë është masë e uraniumit . Fakti është se jo çdo neutron i emetuar gjatë ndarjes bërthamore shkakton ndarjen e bërthamave të tjera. Nëse masa (dhe, në përputhje me rrethanat, madhësia) e një pjese të uraniumit është shumë e vogël, atëherë shumë neutrone do të fluturojnë prej saj, duke mos pasur kohë të takojnë bërthamën në rrugën e tyre, të shkaktojnë ndarjen e saj dhe kështu të gjenerojnë një brez të ri të neutronet e nevojshme për të vazhduar reaksionin. Në këtë rast, reaksioni zinxhir do të ndalet. Në mënyrë që reagimi të vazhdojë, është e nevojshme të rritet masa e uraniumit në një vlerë të caktuar, e quajtur kritike.

Pse një reaksion zinxhir bëhet i mundur me një rritje të masës?

– Sa më e madhe të jetë masa e pjesës, aq më e madhe është probabiliteti që neutronet të takohen me bërthamat. Prandaj, numri i ndarjeve bërthamore dhe numri i neutroneve të emetuara rritet.

Në një masë të caktuar të ashtuquajtur kritike të uraniumit, numri i neutroneve që u shfaqën gjatë ndarjes së bërthamave bëhet i barabartë me numrin e neutroneve të humbur (d.m.th., të kapur nga bërthamat pa ndarje dhe të fluturuara nga copa).

Prandaj, numri i tyre i përgjithshëm mbetet i pandryshuar. Në këtë rast, reaksioni zinxhir mund të vazhdojë për një kohë të gjatë, pa u ndalur dhe pa marrë një karakter shpërthyes.

Masa më e vogël e uraniumit në të cilën është e mundur një reaksion zinxhir quhet masa kritike.

Si do të vazhdojë reaksioni nëse masa e uraniumit është më e madhe se masa kritike?

– Si rezultat i një rritje të mprehtë të numrit të neutroneve të lira, një reaksion zinxhir çon në një shpërthim.

Po sikur të jetë më pak kritike?

Reaksioni nuk vazhdon për shkak të mungesës së neutroneve të lira.

Është e mundur të zvogëlohet humbja e neutroneve (të cilat fluturojnë nga uraniumi pa reaguar me bërthamat) jo vetëm duke rritur masën e uraniumit, por edhe duke përdorur një mjet të veçantë. guaskë reflektuese . Për ta bërë këtë, një pjesë e uraniumit vendoset në një guaskë të bërë nga një substancë që reflekton mirë neutronet (për shembull, berilium). Të reflektuara nga kjo guaskë, neutronet kthehen në uranium dhe mund të marrin pjesë në ndarjen bërthamore.

Përveç masës dhe pranisë së një guaskë reflektuese, ekzistojnë disa faktorë të tjerë nga të cilët varet mundësia e një reaksioni zinxhir. Për shembull, nëse një copë uranium përmban shume papastërtitë elementë të tjerë kimikë, ata thithin shumicën e neutroneve dhe reaksioni ndalet.

Një faktor tjetër që ndikon në rrjedhën e reagimit është Disponueshmëria në të ashtuquajturin uranium moderator neutron . Fakti është se bërthamat e uranium-235 kanë më shumë gjasa të zbërthehen nën veprimin e neutroneve të ngadalta. Zbërthimi bërthamor prodhon neutrone të shpejta. Nëse neutronet e shpejta ngadalësohen, atëherë shumica e tyre do të kapen nga bërthamat e uraniumit-235 me ndarjen e mëvonshme të këtyre bërthamave; substanca të tilla si grafiti, vatra, uji i rëndë dhe disa të tjerë përdoren si moderatorë. Këto substanca vetëm ngadalësojnë neutronet, pothuajse pa i thithur ato.

Pra, cilët janë faktorët kryesorë që mund të ndikojnë në rrjedhën e një reaksioni zinxhir?

- Mundësia e një reaksioni zinxhir përcaktohet nga masa e uraniumit, sasia e papastërtive në të, prania e një guaskë dhe një moderator.

Masa kritike e një pjese sferike të uraniumit-235 është afërsisht 50 kg. Në të njëjtën kohë, rrezja e saj është vetëm 9 cm, pasi uraniumi ka një densitet shumë të lartë.

Duke përdorur një moderator dhe një guaskë reflektuese, dhe duke reduktuar sasinë e papastërtive, është e mundur të zvogëlohet masa kritike e uraniumit në 0.8 kg.

Artikulli i mëparshëm: Sa është shpejtësia e dritës Artikulli vijues: Karakteristikat e elementit të karbonit dhe vetitë kimike