انشطار ذرات اليورانيوم. النشاط الإشعاعي

التفاعلات النووية.يسمى تفاعل الجسيم مع نواة الذرة، مما يؤدي إلى تحول هذه النواة إلى نواة جديدة مع إطلاق جسيمات ثانوية أو أشعة جاما، بالتفاعل النووي.

تم إجراء أول تفاعل نووي بواسطة رذرفورد في عام 1919. واكتشف أن تصادم جسيمات ألفا مع نواة ذرات النيتروجين ينتج بروتونات سريعة الحركة. وهذا يعني أن نواة نظير النيتروجين، نتيجة اصطدامها بجسيم ألفا، تحولت إلى نواة نظير الأكسجين:

يمكن أن تحدث التفاعلات النووية مع إطلاق أو امتصاص الطاقة. باستخدام قانون العلاقة بين الكتلة والطاقة، يمكن تحديد مخرجات الطاقة للتفاعل النووي من خلال إيجاد الفرق في كتل الجزيئات التي تدخل التفاعل ونواتج التفاعل:

تفاعل تسلسليانشطار نواة اليورانيوم.من بين التفاعلات النووية المختلفة، تعتبر التفاعلات المتسلسلة لانشطار بعض النوى الثقيلة ذات أهمية خاصة في حياة المجتمع البشري الحديث.

تم اكتشاف التفاعل الانشطاري لنواة اليورانيوم عند قصفها بالنيوترونات في عام 1939. ونتيجة للدراسات التجريبية والنظرية التي أجراها E. Fermi، I. Joliot-Curie، O. Hahn، F. Strassmann، L. Meitner، O. فريش، ف. جوليو كوري، وجد أنه عندما يضرب نيوترون واحد نواة اليورانيوم، تنقسم النواة إلى قسمين أو ثلاثة أجزاء.

يطلق انشطار نواة يورانيوم واحدة حوالي 200 ميغا إلكترون فولت من الطاقة. تبلغ الطاقة الحركية لحركة نوى الشظايا حوالي 165 ميغا إلكترون فولت، ويتم نقل باقي الطاقة بواسطة كوانتا جاما.

وبمعرفة الطاقة المنطلقة أثناء انشطار نواة يورانيوم واحدة، يمكن حساب أن الطاقة الناتجة من انشطار جميع نوى 1 كجم من اليورانيوم تبلغ 80 ألف مليار جول. وهذا يزيد بملايين المرات عما يتم إطلاقه عند حرق 1 كجم من الفحم أو الزيت. لذلك تم البحث عن طرق للتحرير الطاقة النوويةالخامس كميات كبيرةلاستخدامها لأغراض عملية.

كان F. Joliot-Curie أول من اقترح إمكانية التفاعلات النووية المتسلسلة في عام 1934. وفي عام 1939، اكتشف تجريبيًا مع H. Halban وL. Kowarski أنه خلال انشطار نواة اليورانيوم، بالإضافة إلى الشظايا النووية ، 2 -3 نيوترونات حرة. في الظروف المواتيةيمكن لهذه النيوترونات أن تضرب نوى اليورانيوم الأخرى وتتسبب في انشطارها. عندما تنشطر ثلاث نوى يورانيوم، يجب إطلاق 6-9 نيوترونات جديدة، وسوف تسقط في نوى يورانيوم جديدة، وما إلى ذلك. ويرد في الشكل 316 رسم تخطيطي لتطور التفاعل المتسلسل لانشطار نواة اليورانيوم.

أرز. 316

التنفيذ العملي للتفاعلات المتسلسلة ليس هكذا مهمة بسيطةكيف يبدو على الرسم البياني. النيوترونات المنطلقة أثناء انشطار نواة اليورانيوم قادرة على التسبب في انشطار نواة نظير اليورانيوم ذو العدد الكتلي 235 فقط، لكن طاقتها غير كافية لتدمير نوى نظير اليورانيوم ذو العدد الكتلي 238. وفي اليورانيوم الطبيعي تبلغ حصة اليورانيوم ذو العدد الكتلي 238 99.8%، وتبلغ حصة اليورانيوم ذو العدد الكتلي 235 0.7% فقط. لذلك الأول طريقة حل ممكنةويرتبط تنفيذ التفاعل المتسلسل الانشطاري بفصل نظائر اليورانيوم وإنتاج شكل نقيبكميات كبيرة بما فيه الكفاية من النظائر. الشرط الضروري لحدوث التفاعل المتسلسل هو وجود كمية كافية كمية كبيرةاليورانيوم، حيث أن معظم النيوترونات في عينة صغيرة تطير عبر العينة دون أن تصطدم بأي نواة. تسمى الكتلة الدنيا لليورانيوم التي يمكن أن يحدث فيها تفاعل متسلسل بالكتلة الحرجة. وتبلغ الكتلة الحرجة لليورانيوم 235 عدة عشرات من الكيلوغرامات.

إن أبسط طريقة لإجراء تفاعل متسلسل في اليورانيوم 235 هي ما يلي: يتم تصنيع قطعتين من معدن اليورانيوم، كل منها ذات كتلة أقل بقليل من الكتلة الحرجة. لا يمكن أن يحدث تفاعل متسلسل في كل منهما على حدة. عندما يتم توصيل هذه القطع بسرعة، يتطور تفاعل متسلسل ويتم إطلاق طاقة هائلة. وتصل درجة حرارة اليورانيوم إلى ملايين الدرجات، ويتحول اليورانيوم نفسه وأي مواد أخرى قريبة منه إلى بخار. تتوسع الكرة الغازية الساخنة بسرعة، وتحرق وتدمر كل شيء في طريقها. هكذا يحدث الانفجار النووي.

من الصعب جدًا استخدام طاقة الانفجار النووي للأغراض السلمية، لأن إطلاق الطاقة لا يمكن السيطرة عليه. يتم تنفيذ التفاعلات المتسلسلة الخاضعة للرقابة لانشطار نواة اليورانيوم في المفاعلات النووية.

مفاعل نووي.كانت المفاعلات النووية الأولى عبارة عن مفاعلات نيوترونية بطيئة (الشكل 317). تمتلك معظم النيوترونات المنطلقة أثناء انشطار نواة اليورانيوم طاقة تتراوح بين 1-2 ميغا إلكترون فولت. تبلغ سرعتها حوالي 107 م/ث، ولهذا تسمى بالنيوترونات السريعة. في مثل هذه الطاقات، تتفاعل النيوترونات مع اليورانيوم ونواة اليورانيوم تقريبًا كفاءة متساوية. وبما أن نوى اليورانيوم الموجودة في اليورانيوم الطبيعي تزيد بمقدار 140 مرة عن نوى اليورانيوم، معظميتم امتصاص هذه النيوترونات بواسطة نوى اليورانيوم ولا يتطور التفاعل المتسلسل. النيوترونات التي تتحرك بسرعات قريبة من سرعة الحركة الحرارية (حوالي 2·103 م/ث) تسمى بطيئة أو حرارية. تتفاعل النيوترونات البطيئة بشكل جيد مع نوى اليورانيوم 235 ويتم امتصاصها بكفاءة أكبر بـ 500 مرة من النيوترونات السريعة. ولذلك، عندما يتم تشعيع اليورانيوم الطبيعي بالنيوترونات البطيئة، فإن معظمها لا يتم امتصاصه في نوى اليورانيوم -238، ولكن في نوى اليورانيوم -235 ويتسبب في انشطارها. وبالتالي، لكي يتطور التفاعل المتسلسل في اليورانيوم الطبيعي، يجب تقليل سرعات النيوترونات إلى سرعات حرارية.

أرز. 317

تتباطأ سرعة النيوترونات نتيجة اصطدامها بالنوى الذرية للوسط الذي تتحرك فيه. لإبطاء النيوترونات في المفاعل، يتم استخدام مادة خاصة تسمى الوسيط. يجب أن يكون لنوى ذرات المادة الوسيطة كتلة صغيرة نسبيًا، لأنه عند الاصطدام بنواة خفيفة، يفقد النيوترون طاقة أكبر من تلك التي يفقدها عند الاصطدام بنواة ثقيلة. المشرفون الأكثر شيوعًا هم الماء العادي والجرافيت.

يُطلق على المكان الذي يحدث فيه التفاعل المتسلسل اسم قلب المفاعل. لتقليل تسرب النيوترونات، يُحاط قلب المفاعل بعاكس نيوتروني، والذي يرفض جزءًا كبيرًا من النيوترونات الهاربة إلى القلب. عادةً ما يتم استخدام نفس المادة التي تعمل كمهدئ كعاكس.

تتم إزالة الطاقة المنبعثة أثناء تشغيل المفاعل باستخدام المبرد. يمكن فقط استخدام السوائل والغازات التي ليس لديها القدرة على امتصاص النيوترونات كمبرد. ويستخدم الماء العادي على نطاق واسع كمبرد، ويستخدم في بعض الأحيان ثاني أكسيد الكربون وحتى الصوديوم المعدني السائل.

يتم التحكم في المفاعل باستخدام قضبان تحكم (أو تحكم) خاصة يتم إدخالها في قلب المفاعل. قضبان التحكم مصنوعة من مركبات البورون أو الكادميوم، التي تمتص النيوترونات الحرارية بكفاءة عالية جدًا. وقبل أن يبدأ تشغيل المفاعل، يتم إدخالها بالكامل إلى قلبه. ومن خلال امتصاص جزء كبير من النيوترونات، فإنها تجعل من المستحيل حدوث تفاعل متسلسل. لبدء تشغيل المفاعل، تتم إزالة قضبان التحكم تدريجيًا من قلب المفاعل حتى يصل إطلاق الطاقة إلى مستوى محدد مسبقًا. عند زيادة القوة أعلاه المستوى المقرريتم تشغيل الآلات الأوتوماتيكية، مما يؤدي إلى غرس قضبان التحكم في عمق القلب.

الطاقة النووية.لقد تم وضع الطاقة النووية في خدمة السلام لأول مرة في بلادنا. كان أول منظم وقائد للعمل في مجال العلوم والتكنولوجيا الذرية في اتحاد الجمهوريات الاشتراكية السوفياتية هو الأكاديمي إيغور فاسيليفيتش كورشاتوف (1903-1960).

حاليًا، أكبر محطة طاقة نووية في الاتحاد السوفييتي وأوروبا هي محطة لينينغراد للطاقة النووية التي سميت باسمها. في و. لينين لديه قدرة 4000 ميغاواط، أي. 800 مرة قوة أول محطة للطاقة النووية.

تكلفة توليد الكهرباء بشكل عام محطات الطاقة النووية، أقل من تكلفة الكهرباء المولدة في محطات الطاقة الحرارية. لهذا الطاقة النوويةيتطور بوتيرة متسارعة.

تستخدم المفاعلات النووية كمحطات لتوليد الطاقة السفن البحرية. تم بناء أول سفينة سلمية في العالم مزودة بمحطة للطاقة النووية، وهي كاسحة الجليد لينين التي تعمل بالطاقة النووية، في الاتحاد السوفيتي في عام 1959.

أصبحت كاسحة الجليد السوفيتية أركتيكا التي تعمل بالطاقة النووية، والتي بنيت في عام 1975، أول سفينة سطحية في العالم تصل إلى القطب الشمالي.

رد فعل نووي حراري.تنطلق الطاقة النووية ليس فقط في التفاعلات النووية لانشطار النوى الثقيلة، ولكن أيضًا في تفاعلات مزيج من النوى الخفيفة النوى الذرية.

لتوصيل البروتونات المشحونة بشكل مماثل، من الضروري التغلب على قوى كولوم التنافرية، وهو أمر ممكن عند السرعات العالية بما فيه الكفاية لتصادم الجزيئات. الشروط اللازمةلتخليق نوى الهيليوم من البروتونات المتوفرة في باطن النجوم. على الأرض، تم تنفيذ تفاعل الاندماج النووي الحراري أثناء الانفجارات النووية الحرارية التجريبية.

يتم تصنيع الهيليوم من النظير الخفيف للهيدروجين عند درجة حرارة حوالي 108 كلفن، وبالنسبة لتخليق الهيليوم من نظائر الهيدروجين الثقيلة - الديوتيريوم والتريتيوم - وفقًا للمخطط

يتطلب التدفئة إلى ما يقرب من 5 10 7 ك.

عندما يتم تصنيع 1 جم من الهيليوم من الديوتيريوم والتريتيوم، تكون الطاقة المنطلقة 4.2·10 11 J. ويتم إطلاق هذه الطاقة عند حرق 10 أطنان من وقود الديزل.

إن احتياطيات الهيدروجين على الأرض لا تنضب عمليا، لذا فإن استخدام طاقة الاندماج النووي الحراري للأغراض السلمية يعد أحد أهم أهم المهام العلم الحديثوالتكنولوجيا.

من المفترض أن يتم التفاعل النووي الحراري المتحكم فيه لتخليق الهيليوم من نظائر الهيدروجين الثقيلة عن طريق التسخين عن طريق المرور التيار الكهربائيمن خلال البلازما. يتم استخدام المجال المغناطيسي لمنع البلازما الساخنة من ملامسة جدران الغرفة. وفي التركيب التجريبي توكاماك-10، تمكن الفيزيائيون السوفييت من تسخين البلازما إلى درجة حرارة 13 مليون درجة. يصل إلى أكثر من ذلك درجات حرارة عاليةيمكن تسخين الهيدروجين باستخدام إشعاع الليزر. وللقيام بذلك، يجب تركيز أشعة الضوء الصادرة عن عدة أشعة ليزر على كرة زجاجية تحتوي على خليط من النظائر الثقيلة للديوتيريوم والتريتيوم. في التجارب على تركيبات الليزر، تم بالفعل الحصول على بلازما بدرجة حرارة تصل إلى عدة عشرات الملايين من الدرجات.

الانشطار النووي- عملية انقسام نواة الذرة إلى نواتين (أقل من ثلاثة في كثير من الأحيان) ذات كتل متشابهة، تسمى شظايا الانشطار. نتيجة للانشطار، يمكن أن تنشأ أيضًا منتجات تفاعل أخرى: النوى الخفيفة (جسيمات ألفا بشكل أساسي)، والنيوترونات، وأشعة جاما. يمكن أن يكون الانشطار عفويًا (تلقائيًا) وقسريًا (نتيجة للتفاعل مع الجسيمات الأخرى، وبشكل أساسي مع النيوترونات). انشطار النوى الثقيلة هو عملية طاردة للحرارة، ونتيجة لذلك يتم إطلاق كمية كبيرة من الطاقة في شكل طاقة حركية لمنتجات التفاعل، وكذلك الإشعاع. يعمل الانشطار النووي كمصدر للطاقة في المفاعلات النووية والأسلحة النووية. يمكن أن تحدث عملية الانشطار فقط عندما تتجاوز الطاقة الكامنة للحالة الأولية للنواة الانشطارية مجموع كتل شظايا الانشطار. وبما أن طاقة الارتباط النوعية للنوى الثقيلة تتناقص مع زيادة كتلتها، فإن هذا الشرط يكون محققًا لجميع النوى ذات العدد الكتلي تقريبًا.

ومع ذلك، كما تظهر التجربة، حتى أثقل النوى تنشطر تلقائيًا مع احتمالية منخفضة جدًا. هذا يعني أن هناك حاجز طاقة ( حاجز الانشطار)، منع الانقسام. يتم استخدام عدة نماذج لوصف عملية الانشطار النووي، بما في ذلك حساب حاجز الانشطار، ولكن لا يمكن لأي منها أن يفسر العملية بشكل كامل.

حقيقة أن الطاقة يتم إطلاقها أثناء انشطار النوى الثقيلة تنبع مباشرة من الاعتماد على طاقة الربط المحددة ε = ضوء E (A,Z)/A من العدد الكتلي A. عند انشطار نواة ثقيلة، تتشكل نوى أخف ترتبط فيها النيوكليونات بقوة أكبر، ويتم إطلاق جزء من الطاقة أثناء الانشطار. كقاعدة عامة، يصاحب الانشطار النووي انبعاث 1-4 نيوترونات. دعونا نعبر عن طاقة الانشطار Q بدلالة طاقات الربط للنواة الأولية والنهائية. نكتب طاقة النواة الأولية، المكونة من بروتونات Z ونيوترونات N، ولها كتلة M(A,Z) وطاقة ربط E st (A,Z)، بالصيغة التالية:

M(A,Z)c 2 = (Zm p + Nm n)c 2 - E St (A,Z).

يصاحب انقسام النواة (A,Z) إلى جزأين (A 1,Z 1) و (A 2,Z 2) تكوين N n = أ – أ 1 – أ 2 نيوترونات موجهة. إذا انقسمت النواة (A,Z) إلى شظايا كتلتها M 1 (A 1 ,Z 1) وM 2 (A 2 ,Z 2) وطاقات الربط E св1 (A 1,Z 1) وE св2 (A 2) ، Z 2)، فبالنسبة لطاقة الانشطار لدينا التعبير:

Q div = (M(A,Z) – )c 2 = E St 1 (A 1 ,Z 1) + E St (A 2 ,Z 2) – E St (A,Z),

أ = أ 1 + أ 2 + ن ن، ض = ض 1 + ض 2.

23. النظرية الأولية للانشطار.

في عام 1939 ن. بورو جيه ويلر، و يا فرانكلقبل فترة طويلة من دراسة الانشطار تجريبيًا بشكل شامل، تم اقتراح نظرية لهذه العملية، بناءً على فكرة أن النواة هي قطرة من سائل مشحون.

يمكن الحصول على الطاقة المنطلقة أثناء الانشطار مباشرة من صيغ فايتساكر.

دعونا نحسب كمية الطاقة المنطلقة أثناء انشطار نواة ثقيلة. دعونا نعوض في (ص.٢) تعبيرات طاقات الربط للنواة (ص.١)، بافتراض أن A 1 = 240 و Z 1 = 90. إهمال الحد الأخير في (ص.1) لصغر حجمه واستبداله قيم المعلمات 2 و 3 نحصل عليها

من هذا نستنتج أن الانشطار يكون ملائمًا للطاقة عندما تكون Z 2 /A > 17. وتسمى قيمة Z 2 /A معامل الانشطار. الطاقة E المنطلقة أثناء الانشطار تزداد بزيادة Z 2 /A؛ Z 2 /A = 17 للنوى الموجودة في منطقة الإيتريوم والزركونيوم. يتضح من التقديرات التي تم الحصول عليها أن الانشطار مفضل من الناحية الطاقة لجميع النوى التي يكون حجمها A > 90. لماذا تكون معظم النوى مستقرة بالنسبة للانشطار التلقائي؟ للإجابة على هذا السؤال، دعونا ننظر إلى كيفية تغير شكل النواة أثناء الانشطار.

أثناء عملية الانشطار، تمر النواة بالتتابع بالمراحل التالية (الشكل 2): كرة، شكل إهليلجي، دمبل، قطعتان على شكل كمثرى، قطعتان كرويتان. كيف تتغير الطاقة الكامنة للنواة؟ مراحل مختلفةالانقسامات؟ بعد حدوث الانشطار، وتقع الشظايا على مسافة من بعضها البعض أكبر بكثير من نصف قطرها، يمكن اعتبار الطاقة الكامنة للشظايا، التي يحددها تفاعل كولوم بينهما، مساوية للصفر.

دعونا نفكر في المرحلة الأولية للانشطار، عندما تأخذ النواة، مع زيادة r، شكل شكل إهليلجي متطاول بشكل متزايد. في هذه المرحلة من الانقسام، r هو مقياس لانحراف النواة عن الشكل الكروي (الشكل 3). ونظرا لتطور شكل النواة فإن التغير في طاقتها الكامنة يتحدد بالتغير في مجموع طاقات السطح وكولوم E"n + E"k. ويفترض أن حجم النواة يبقى دون تغيير أثناء عملية التشوه. وفي هذه الحالة تزداد الطاقة السطحية E"n، مع زيادة مساحة سطح النواة. وتنخفض طاقة الكولومب E"k، مع زيادة متوسط المسافة بين النيوكليونات. دع النواة الكروية، نتيجة لتشوه طفيف يتميز بمعلمة صغيرة، تأخذ شكل إهليلجي متماثل محوريا. يمكن إثبات أن الطاقة السطحية E" n وطاقة كولوم E" k تختلف كما يلي:

في حالة التشوهات الإهليلجية الصغيرة، تحدث الزيادة في الطاقة السطحية بشكل أسرع من الانخفاض في طاقة كولوم. في منطقة النوى الثقيلة 2E n > E k يزداد مجموع طاقات السطح وطاقة كولوم مع الزيادة. من (ص.٤) و (ص.٥) يترتب على ذلك أنه في حالة التشوهات الإهليلجية الصغيرة، تمنع الزيادة في الطاقة السطحية حدوث تغييرات أخرى في شكل النواة، وبالتالي الانشطار. التعبير (ص.٥) صالح للقيم الصغيرة (التشوهات الصغيرة). إذا كان التشوه كبيرًا لدرجة أن النواة تأخذ شكل الدمبل، فإن قوى التوتر السطحي، مثل قوى كولوم، تميل إلى فصل النواة وإعطاء الشظايا شكلًا كرويًا. في مرحلة الانشطار هذه، تكون الزيادة في الانفعال مصحوبة بانخفاض في كل من طاقات الكولوم والسطح. أولئك. مع الزيادة التدريجية في تشوه النواة، تمر طاقتها المحتملة بحد أقصى. الآن r له معنى المسافة بين مراكز الأجزاء المستقبلية. عندما تبتعد الشظايا عن بعضها البعض، ستنخفض الطاقة الكامنة لتفاعلها، حيث تنخفض طاقة تنافر كولوم E k. يظهر الشكل 1 اعتماد الطاقة الكامنة على المسافة بين الشظايا. 4. يتوافق المستوى الصفري للطاقة الكامنة مع مجموع طاقات السطح وطاقة كولوم لشظيتين غير متفاعلتين. إن وجود حاجز محتمل يمنع الانشطار التلقائي الفوري للنوى. لكي تنقسم النواة على الفور، فإنها تحتاج إلى نقل طاقة Q تتجاوز ارتفاع الحاجز H. الطاقة الكامنة القصوى للنواة الانشطارية تساوي تقريبًا e 2 Z 2 /(R 1 + R 2)، حيث R 1 و R 2 هما نصف قطر الشظايا. على سبيل المثال، عندما تنقسم نواة الذهب إلى شظيتين متطابقتين، e 2 Z 2 /(R 1 + R 2) = 173 MeV، وكمية الطاقة E المنبعثة أثناء الانشطار ( انظر الصيغة (ص.٢)) ، أي ما يعادل 132 ميغا إلكترون فولت. وبالتالي، أثناء انشطار نواة الذهب، من الضروري التغلب على حاجز محتمل يبلغ ارتفاعه حوالي 40 ميغا إلكترون فولت. كلما زاد ارتفاع الحاجز H، انخفضت نسبة الكولوم والطاقة السطحية E إلى /E p في النواة الأولية. وتزداد هذه النسبة بدورها مع زيادة معلمة قابلية القسمة Z 2 /A ( انظر (ص.٤)). كلما كانت النواة أثقل، انخفض ارتفاع الحاجز H , نظرًا لأن معامل الانشطار يزداد مع زيادة عدد الكتلة:

أولئك. وفقًا لنموذج القطرة، لا ينبغي أن تكون هناك نوى ذات Z 2 /A > 49 في الطبيعة، لأنها تنشطر تلقائيًا على الفور تقريبًا (خلال زمن نووي مميز يبلغ حوالي 10 -22 ثانية). يتم تفسير وجود النوى الذرية ذات Z 2 /A > 49 ("جزيرة الاستقرار") من خلال بنية القشرة. يظهر في الشكل اعتماد الشكل وارتفاع الحاجز المحتمل H وطاقة الانشطار E على قيمة معلمة الانشطار Z 2 /A. 5.

الانشطار التلقائي للنواة مع Z 2 /A< 49, для которых высота барьера Н не равна нулю, с точки зрения классической физики невозможно. С точки зрения квантовой механики такое деление возможно в результате прохождения через потенциальный барьер и носит название спонтанного деления. Вероятность спонтанного деления растет с увеличением параметра делимости Z 2 /А, т.е. с уменьшением высоты барьера. В целом период полураспада относительно спонтанного деления уменьшается при переходе от менее тяжелых ядер к более тяжелым от Т 1/2 > 10 21 سنة لمدة 232 ث إلى 0.3 ثانية مقابل 260 كو. الانشطار القسري للنواة مع Z 2 /A < 49 может быть вызвано любыми частицами: фотонами, нейтронами, протонами, дейтронами, -частицами и т.д., если энергия, которую они вносят в ядро достаточна для преодоления барьера деления.

تم اكتشاف انشطار نواة اليورانيوم في عام 1938 من قبل العلماء الألمان O. Hahn و F. Strassmann. وتمكنوا من إثبات أنه عند قصف نواة اليورانيوم بالنيوترونات، تتكون عناصر الجزء الأوسط الجدول الدوري: الباريوم، الكريبتون، إلخ. التفسير الصحيح لهذه الحقيقة قدمه الفيزيائي النمساوي L. Meitner والفيزيائي الإنجليزي O. Frisch. وفسروا ظهور هذه العناصر من خلال اضمحلال نواة اليورانيوم التي استحوذت على النيوترون إلى جزأين متساويين تقريبًا. وتسمى هذه الظاهرة بالانشطار النووي، وتسمى النوى الناتجة شظايا الانشطار.

أنظر أيضا

فاسيليف أ. انشطار اليورانيوم: من كلابروث إلى هان // الكم. - 2001. - رقم 4. - ص20-21,30.

نموذج القطرة للنواة

يمكن تفسير تفاعل الانشطار هذا بناءً على نموذج قطرة النواة. في هذا النموذج، يعتبر القلب بمثابة قطرة من سائل غير قابل للضغط ومشحون كهربائيًا. بالإضافة إلى القوى النووية التي تعمل بين جميع نواة النواة، تواجه البروتونات تنافرًا كهروستاتيكيًا إضافيًا، ونتيجة لذلك تقع في محيط النواة. في حالة عدم الاستثارة، يتم تعويض قوى التنافر الكهروستاتيكي، بحيث يكون للنواة شكل كروي (الشكل 1، أ).

بعد أن تلتقط النواة \(~^(235)_(92)U\) نيوترونًا، تتشكل نواة متوسطة \(~(^(236)_(92)U)^*\)، وهي في حالة مثارة ولاية. في هذه الحالة، يتم توزيع طاقة النيوترونات بالتساوي بين جميع النيوكليونات، وتتشوه النواة الوسيطة نفسها وتبدأ في الاهتزاز. إذا كان الإثارة صغيرة، فإن النواة (الشكل 1، ب)، تحرر نفسها من الطاقة الزائدة عن طريق إصدار γ -الكم أو النيوترون يعود إلى حالته المستقرة. إذا كانت طاقة الإثارة مرتفعة بما فيه الكفاية، فإن تشوه النواة أثناء الاهتزازات يمكن أن يكون كبيرا جدا بحيث يتم تشكيل الخصر فيه (الشكل 1، ج)، على غرار الخصر بين جزأين من قطرة السائل المتشعبة. لم تعد القوى النووية التي تعمل في وسط ضيق قادرة على تحمل قوة كولوم الكبيرة لتنافر أجزاء من النواة. ينكسر الخصر وينقسم اللب إلى "شظيتين" (الشكل 1 ، د) يطيران في اتجاهين متعاكسين.

uran.swfفلاش: انشطار اليورانيوم تكبير فلاش الشكل. 2.

حاليًا، يُعرف حوالي 100 نظير مختلف بأعداد كتلية من حوالي 90 إلى 145، ناتجة عن انشطار هذه النواة. هناك تفاعلان انشطاريان نموذجيان لهذه النواة هما:

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

لاحظ أن الانشطار النووي الذي يبدأه النيوترون ينتج نيوترونات جديدة يمكن أن تسبب تفاعلات انشطارية في نوى أخرى. يمكن أن تكون منتجات انشطار نواة اليورانيوم 235 أيضًا نظائر أخرى للباريوم والزينون والسترونتيوم والروبيديوم وما إلى ذلك.

عندما تنشطر نوى الذرات الثقيلة (\(~^(235)_(92)U\))، يتم إطلاق طاقة كبيرة جدًا - حوالي 200 ميجا فولت أثناء انشطار كل نواة. يتم إطلاق حوالي 80% من هذه الطاقة على شكل طاقة حركية للشظايا؛ أما الـ 20٪ المتبقية فتأتي من طاقة الإشعاع الإشعاعي المنبعث من الشظايا والطاقة الحركية للنيوترونات السريعة.

يمكن إجراء تقدير للطاقة المنبعثة أثناء الانشطار النووي باستخدام طاقة الربط المحددة للنيوكليونات في النواة. طاقة ربط محددة للنيوكليونات في النوى ذات العدد الكتلي أ≈ 240 من ترتيب 7.6 MeV/نوكليون، بينما في النوى ذات الأعداد الكتلية أ= 90 - 145 طاقة نوعية تعادل حوالي 8.5 ميجا إلكترون فولت/نوكليون. وبالتالي، فإن انشطار نواة اليورانيوم يطلق طاقة تبلغ حوالي 0.9 ميغا إلكترون فولت/نيوكليون، أو ما يقرب من 210 ميغا إلكترون فولت لكل ذرة يورانيوم. يطلق الانشطار الكامل لجميع النوى الموجودة في 1 جرام من اليورانيوم نفس الطاقة التي يطلقها احتراق 3 أطنان من الفحم أو 2.5 طن من النفط.

أنظر أيضا

فارلاموف أ. نموذج القطرة للنواة // الكم. - 1986. - العدد 5. - ص23-24

تفاعل تسلسلي

تفاعل تسلسلي- تفاعل نووي فيه جزيئات تسبب رد فعل، تتشكل كمنتجات لهذا التفاعل.

reakcia.swfالفلاش: تفاعل متسلسل 4.

يتواجد اليورانيوم في الطبيعة على شكل نظيرين \[~^(238)_(92)U\] (99.3%) و \(~^(235)_(92)U\) (0.7%). عند قصفها بالنيوترونات، يمكن أن تنقسم نواة كلا النظيرين إلى شظيتين. في هذه الحالة، يحدث تفاعل الانشطار \(~^(235)_(92)U\) بشكل مكثف مع النيوترونات البطيئة (الحرارية)، بينما تتفاعل النوى \(~^(238)_(92)U\) مع الانشطار فقط مع النيوترونات السريعة ذات الطاقات التي تصل إلى 1 ميغا إلكترون فولت. وبخلاف ذلك، يتبين أن طاقة إثارة النوى الناتجة \(~^(239)_(92)U\) غير كافية للانشطار، ومن ثم تحدث التفاعلات النووية بدلاً من الانشطار:

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

نظائر اليورانيوم \(~^(238)_(92)U\) β - مشع، عمر النصف 23 دقيقة. نظير النبتونيوم \(~^(239)_(93)Np\) هو أيضًا مشع، مع عمر نصف يبلغ حوالي يومين.

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

نظير البلوتونيوم \(~^(239)_(94)Np\) مستقر نسبيًا، ويبلغ عمر النصف له 24000 سنة. أهم خاصية للبلوتونيوم هي أنه انشطاري تحت تأثير النيوترونات بنفس طريقة \(~^(235)_(92)U\). لذلك، بمساعدة \(~^(239)_(94)Np\) يمكن إجراء تفاعل متسلسل.

يمثل مخطط التفاعل المتسلسل الذي تمت مناقشته أعلاه حالة مثالية. في الظروف الحقيقية، لا تشارك جميع النيوترونات المنتجة أثناء الانشطار في انشطار النوى الأخرى. يتم التقاط بعضها بواسطة النوى غير الانشطارية للذرات الأجنبية، والبعض الآخر يطير من اليورانيوم (تسرب النيوترونات).

ولذلك فإن التفاعل المتسلسل لانشطار النوى الثقيلة لا يحدث دائمًا ولا لأي كتلة من اليورانيوم.

عامل تكاثر النيوترونات

يتميز تطور التفاعل المتسلسل بما يسمى بعامل تكاثر النيوترونات ل، والتي تقاس بنسبة العدد نأنا النيوترونات المسببة لانشطار نواة المادة في إحدى مراحل التفاعل إلى العدد نالنيوترونات i-1 التي تسببت في الانشطار في المرحلة السابقة من التفاعل:

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

ويعتمد معامل الضرب على عدد من العوامل، خاصة على طبيعة المادة الانشطارية وكميتها، وعلى الشكل الهندسي للحجم الذي تشغله. نفس الكمية من هذه المادةلقد معنى مختلف ل. لالحد الأقصى إذا كانت المادة لها شكل كروي، لأنه في هذه الحالة سيكون فقدان النيوترونات السريعة عبر السطح ضئيلًا.

كتلة المادة الانشطارية التي يحدث فيها التفاعل المتسلسل مع عامل الضرب ل= 1 تسمى الكتلة الحرجة. وفي القطع الصغيرة من اليورانيوم، تطير معظم النيوترونات دون الاصطدام بأي نواة.

يتم تحديد قيمة الكتلة الحرجة من خلال هندسة النظام المادي وبنيته وبيئته الخارجية. وبالتالي، بالنسبة لكرة من اليورانيوم النقي \(~^(235)_(92)U\) تبلغ الكتلة الحرجة 47 كجم (كرة يبلغ قطرها 17 سم). يمكن تقليل الكتلة الحرجة لليورانيوم عدة مرات باستخدام ما يسمى بالمهدئات النيوترونية. والحقيقة هي أن النيوترونات المنتجة أثناء تحلل نوى اليورانيوم لها سرعات عالية جدًا، واحتمال التقاط النيوترونات البطيئة بواسطة نوى اليورانيوم 235 أكبر بمئات المرات من النيوترونات السريعة. أفضل وسيط نيوتروني هو الماء الثقيل D2O. الماء العاديوعندما يتفاعل مع النيوترونات فإنه يتحول في حد ذاته إلى ماء ثقيل.

يعتبر الجرافيت، الذي لا تمتص نواته النيوترونات، وسيطًا جيدًا أيضًا. أثناء التفاعل المرن مع الديوتيريوم أو نوى الكربون، تتباطأ النيوترونات إلى سرعات حرارية.

إن استخدام الوسائط النيوترونية وقذيفة البريليوم الخاصة التي تعكس النيوترونات يجعل من الممكن تقليل الكتلة الحرجة إلى 250 جرامًا.

بمعدل الضرب ل= 1 يتم الحفاظ على عدد النوى الانشطارية عند مستوى ثابت. يتم توفير هذا الوضع في المفاعلات النووية.

وإذا كانت كتلة الوقود النووي أقل من الكتلة الحرجة، فيتم معامل الضرب ل < 1; каждое новое поколение вызывает все меньшее и меньшее число делений, и реакция без внешнего источника нейтронов быстро затухает.

إذا كانت كتلة الوقود النووي أكبر من الكتلة الحرجة، فإن عامل الضرب ل> 1 وكل جيل جديد من النيوترونات يسبب كل شيء عدد أكبرالانقسامات. ينمو التفاعل المتسلسل مثل الانهيار الجليدي وله طابع الانفجار، مصحوبًا بإطلاق هائل للطاقة وزيادة في درجة الحرارة المحيطة إلى عدة ملايين من الدرجات. يحدث هذا النوع من التفاعل المتسلسل عندما تنفجر قنبلة ذرية.

قنبلة نووية

في حالتها الطبيعية، لا تنفجر القنبلة النووية، لأن الشحنة النووية الموجودة فيها تنقسم إلى عدة أجزاء صغيرة بواسطة أقسام تمتص نواتج اضمحلال اليورانيوم - النيوترونات. ولا يمكن أن يستمر التفاعل النووي المتسلسل الذي يسبب انفجارًا نوويًا في ظل هذه الظروف. ومع ذلك، إذا تم دمج أجزاء الشحنة النووية معًا، فإن كتلتها الإجمالية ستصبح كافية لبدء التفاعل المتسلسل لانشطار اليورانيوم. والنتيجة هي انفجار نووي. وفي الوقت نفسه، فإن قوة الانفجار التي طورتها القنبلة النووية نسبية أحجام صغيرة، أي ما يعادل الطاقة المنطلقة أثناء انفجار ملايين ومليارات الأطنان من مادة تي إن تي.

أرز. 5. القنبلة الذرية

درس الفيزياء في الصف التاسع

"انشطار نواة اليورانيوم. تفاعل تسلسلي"

الغرض من الدرس:أن يتعرف الطلاب على عملية انشطار نواة ذرات اليورانيوم وآلية التفاعل المتسلسل.

مهام:

التعليمية:

دراسة آلية انشطار نواة اليورانيوم 235؛ إدخال مفهوم الكتلة الحرجة؛ تحديد العوامل التي تحدد حدوث التفاعل المتسلسل.

التعليمية:

توجيه الطلاب إلى فهم أهمية اكتشافات علميةوهذا واحد الخطر الذي يمكن أن يأتي من الإنجازات العلمية مع موقف طائش أو أمي أو غير أخلاقي تجاهها.

النامية:

تطوير التفكير المنطقي; تطوير المونولوج والكلام الحواري. تنمية العمليات العقلية لدى الطلاب: التحليل، المقارنة، التعلم. تكوين فكرة عن سلامة صورة العالم

نوع الدرس:درس في تعلم المعرفة الجديدة.

الكفايات التي يهدف الدرس إلى تنميتها:

القيمة الدلالية - القدرة على رؤية وفهم العالم من حولنا،

الثقافية العامة - إتقان الطالب للصورة العلمية للعالم،

التعليمية والمعرفية - القدرة على تمييز الحقائق من التخمينات،

مهارات الاتصال - مهارات العمل الجماعي والمعرفة المختلفة الأدوار الاجتماعيةفريق،

كفاءات التحسين الذاتي الشخصي - ثقافة التفكير والسلوك

تقدم الدرس: 1. تنظيم الوقت.

لقد وصل درس جديد. سأبتسم لكم، وسوف تبتسمون لبعضكم البعض. وسوف تفكر: كم هو جيد أن نكون جميعًا هنا معًا اليوم. نحن متواضعون ولطيفون وودودون وحنون. نحن جميعا بصحة جيدة. - خذ نفسا عميقا وازفر. زفر استياء الأمس والغضب والقلق. أتمنى لنا جميعا درسا جيدا .

2. التحقق من الواجبات المنزلية.

امتحان.

1. ما هي الشحنة التي تمتلكها النواة؟

1) موجب 2) سالب 3) لا تحتوي النواة على شحنة

2. ما هو جسيم ألفا؟

1) الإلكترون 2) نواة ذرة الهيليوم

3) الإشعاع الكهرومغناطيسي

3. ما عدد البروتونات والنيوترونات التي تحتوي عليها نواة ذرة البيريليوم؟

1) Z = 9، N = 4 2) Z = 5، N = 4 3) Z = 4، N = 5

4. ما هي نواة العنصر الكيميائي التي يتكون أثناء اضمحلال الراديوم α؟

را → ؟ + هو.

1) الرادون 2) اليورانيوم 3) الفرميوم

5. كتلة النواة تكون دائمًا... مجموع كتل النيوكليونات التي تتكون منها.

1) أكبر من 2) يساوي 3) أقل

6. النيوترون هو جسيم

1) وجود تهمة +1، الكتلة الذرية 1;

2) وجود تهمة – 1, الكتلة الذرية 0;

3) شحنتها 0، كتلتها الذرية 1.

7. حدد الناتج الثاني للتفاعل النووي

الإجابات: الخيار 1. 1)1؛ 2)2; 3)3; 4)1; 5)3; 6)3; 7)3.

8. كيف تتفاعل البروتونات الموجودة في النواة مع بعضها البعض كهربائيا؟

9. ما هو الخلل الشامل؟ اكتب الصيغة.

10. ما هي طاقة الربط؟ اكتب الصيغة.

تعلم مواد جديدة.

لقد علمنا مؤخرًا أن بعض العناصر الكيميائية تتحول إلى عناصر كيميائية أخرى أثناء الاضمحلال الإشعاعي. ما الذي تعتقد أنه سيحدث إذا أرسلت جسيمًا ما إلى نواة ذرة أحد العناصر الكيميائية، على سبيل المثال، نيوترون إلى نواة اليورانيوم؟

في عام 1939، اكتشف العالمان الألمانيان أوتو هان وفريتز ستراسمان انشطار نواة اليورانيوم. ووجدوا أنه عندما يتم قصف اليورانيوم بالنيوترونات، تنشأ عناصر الجزء الأوسط من الجدول الدوري - النظائر المشعةالباريوم (Z = 56)، الكريبتون (Z = 36)، الخ.

دعونا نفكر بمزيد من التفصيل في عملية انشطار نواة اليورانيوم أثناء القصف بالنيوترون حسب الشكل. يتم امتصاص النيوترون الذي يدخل نواة اليورانيوم. يصبح القلب متحمسًا ويبدأ في التشوه مثل قطرة سائلة.

تصبح النواة متحمسة وتبدأ في التشوه. لماذا تنقسم النواة إلى قسمين؟ تحت أي قوى يحدث التمزق؟

ما هي القوى المؤثرة داخل النواة؟

– الكهرباء الساكنة والنووية.

حسنًا، لكن كيف تظهر القوى الكهروستاتيكية؟

- تعمل القوى الكهروستاتيكية بين الجسيمات المشحونة. الجسيم المشحون الموجود في النواة هو البروتون. وبما أن البروتون مشحون بشحنة موجبة، فهذا يعني أن القوى التنافرية تعمل بينهما.

صحيح، ولكن كيف تظهر القوى النووية؟

– القوى النووية هي قوى الجذب بين جميع النيوكليونات.

إذًا، تحت تأثير أي قوى تتمزق النواة؟

– (في حالة ظهور أي صعوبات، أطرح أسئلة إرشادية وأرشد الطلاب إلى الاستنتاج الصحيح) تحت تأثير القوى التنافرية الكهروستاتيكية، تنقسم النواة إلى قسمين، والتي تتطاير إلى قسمين جوانب مختلفةوتنبعث منها 2-3 نيوترونات.

ويمتد حتى تبدأ القوى التنافرية الكهربائية في السيطرة على القوى النووية. تنقسم النواة إلى شظيتين، وتطلق نيوترونين أو ثلاثة. هذه هي تقنية انشطار نواة اليورانيوم.

الشظايا تطير بعيدًا بسرعة عالية جدًا. وتبين أن جزءًا من الطاقة الداخلية للنواة يتحول إلى طاقة حركية للشظايا والجزيئات الطائرة. الشظايا تقع في بيئة. برأيك ماذا يحدث لهم؟

- يتم إبطاء الشظايا في البيئة.

وحتى لا نخالف قانون حفظ الطاقة يجب أن نقول ماذا سيحدث للطاقة الحركية؟

– يتم تحويل الطاقة الحركية للشظايا إلى طاقة داخلية للبيئة.

هل تلاحظ أن الطاقة الداخلية للوسط قد تغيرت؟

– نعم، البيئة تسخن.

هل سيتأثر التغير في الطاقة الداخلية بحقيقة أن أعدادًا مختلفة من نوى اليورانيوم ستشارك في الانشطار؟

– بالطبع مع الانشطار المتزامن لعدد كبير من نوى اليورانيوم، تزداد الطاقة الداخلية للبيئة المحيطة باليورانيوم.

من دورة الكيمياء الخاصة بك، تعلم أن التفاعلات يمكن أن تحدث مع امتصاص الطاقة وإطلاقها. ماذا يمكن أن نقول عن مسار التفاعل الانشطاري لنواة اليورانيوم؟

– يؤدي التفاعل الانشطاري لنواة اليورانيوم إلى إطلاق الطاقة في البيئة.

(الشريحة 13)

يتواجد اليورانيوم في الطبيعة على شكل نظيرين: U (99.3%) وU (0.7%). في هذه الحالة، يحدث تفاعل انشطار U بشكل مكثف مع النيوترونات البطيئة، بينما تمتص نوى U ببساطة نيوترونًا، ولا يحدث الانشطار. لذلك، الاهتمام الرئيسي هو التفاعل الانشطاري للنواة U. حاليًا، هناك حوالي 100 نظير مختلف بأعداد كتلية من حوالي 90 إلى 145 معروفة والتي تنشأ أثناء انشطار هذه النواة. هناك تفاعلان انشطاريان نموذجيان لهذه النواة هما:

ولنلاحظ أن الطاقة المنطلقة أثناء انشطار نواة اليورانيوم هائلة. على سبيل المثال، يطلق الانشطار الكامل لجميع النوى الموجودة في 1 كجم من اليورانيوم نفس الطاقة التي يطلقها احتراق 3000 طن من الفحم. علاوة على ذلك، يمكن إطلاق هذه الطاقة على الفور.

(الشريحة 14)

لقد اكتشفنا ما سيحدث للشظايا، كيف سوف تتصرف النيوترونات؟

عندما تنشطر نواة اليورانيوم 235، والذي يحدث نتيجة اصطدامها بنيوترون، يتم إطلاق 2 أو 3 نيوترونات. وفي ظل ظروف مواتية، يمكن لهذه النيوترونات أن تضرب نوى اليورانيوم الأخرى وتتسبب في انشطارها. في هذه المرحلة، سيظهر من 4 إلى 9 نيوترونات، قادرة على التسبب في اضمحلال جديد لنواة اليورانيوم، وما إلى ذلك. وتسمى هذه العملية الشبيهة بالانهيار الجليدي تفاعل تسلسلي. (اكتب في دفتر: التفاعل النووي المتسلسل- سلسلة من التفاعلات النووية، كل منها ناتج عن جسيم ظهر كمنتج تفاعل في الخطوة السابقة من التسلسل). سننظر في مخطط تطوير التفاعل المتسلسل لانشطار نواة اليورانيوم بمزيد من التفصيل باستخدام جزء فيديو بالحركة البطيئة للحصول على دراسة أكثر تفصيلاً

نرى أن العدد الإجمالي للنيوترونات الحرة في قطعة اليورانيوم يزداد مثل الانهيار الجليدي بمرور الوقت. ما الذي يمكن أن يؤدي إليه هذا؟

- للانفجار.

لماذا؟

– يزداد عدد الانشطارات النووية وبالتالي الطاقة المنطلقة لكل وحدة زمنية.

لكن هناك خيار آخر ممكن أيضًا، حيث يتناقص عدد النيوترونات الحرة مع مرور الوقت، ولا يلتقي النيوترون بالنواة في طريقه. في هذه الحالة ماذا سيحدث للتفاعل المتسلسل؟

- وسوف تتوقف.

هل من الممكن استخدام طاقة مثل هذه التفاعلات للأغراض السلمية؟

كيف ينبغي أن يستمر رد الفعل؟

– يجب أن يستمر التفاعل بحيث يبقى عدد النيوترونات ثابتا مع مرور الوقت.

كيف يمكننا التأكد من بقاء عدد النيوترونات ثابتًا طوال الوقت؟

– (اقتراحات الرجال)

لحل هذه المشكلة عليك معرفة العوامل التي تؤثر على زيادة ونقصان العدد الإجمالي للنيوترونات الحرة في قطعة اليورانيوم التي يحدث فيها التفاعل المتسلسل.

(الشريحة 15)

أحد هذه العوامل هو كتلة اليورانيوم . والحقيقة هي أنه ليس كل نيوترون ينبعث أثناء الانشطار النووي يسبب انشطار نوى أخرى. إذا كانت كتلة قطعة اليورانيوم (وبالتالي أبعادها) صغيرة جدًا، فسوف تطير منها العديد من النيوترونات، دون أن يكون لديها وقت للقاء النواة في طريقها، مما يتسبب في انشطارها وبالتالي توليد جيل جديد من اليورانيوم. النيوترونات اللازمة لمواصلة التفاعل. في هذه الحالة، سوف يتوقف التفاعل المتسلسل. لكي يستمر التفاعل من الضروري زيادة كتلة اليورانيوم إلى قيمة معينة تسمى شديد الأهمية.

لماذا يصبح التفاعل المتسلسل ممكنا مع زيادة الكتلة؟

لكي يحدث التفاعل المتسلسل، من الضروري أن يحدث ما يسمى معدل التكاثرالنيوترونات كانت أكبر من واحد. وبعبارة أخرى، في كل جيل لاحق يجب أن يكون هناك عدد أكبر من النيوترونات مما كان عليه في الجيل السابق. يتم تحديد معامل الضرب ليس فقط من خلال عدد النيوترونات المنتجة في كل فعل أولي، ولكن أيضًا من خلال الظروف التي يحدث فيها التفاعل - يمكن امتصاص بعض النيوترونات بواسطة نوى أخرى أو مغادرة منطقة التفاعل. النيوترونات المنطلقة أثناء انشطار نواة اليورانيوم 235 قادرة على التسبب في انشطار نواة اليورانيوم نفسه فقط، والذي يمثل 0.7٪ فقط من اليورانيوم الطبيعي. هذا التركيز غير كافي لبدء التفاعل المتسلسل. يمكن لنظير U أيضًا أن يمتص النيوترونات، لكن هذا لا يسبب تفاعلًا متسلسلًا.

(اكتب فى دفتر ملاحظاتك: عامل تكاثر النيوتروناتك - نسبة عدد نيوترونات الجيل اللاحق إلى عدد الجيل السابق في الحجم الكامل لوسط تكاثر النيوترونات)

التفاعل المتسلسل في اليورانيوم زيادة المحتوىلا يمكن أن يتطور اليورانيوم 235 إلا عندما تتجاوز كتلة اليورانيوم ما يسمى بالكتلة الحرجة. وفي القطع الصغيرة من اليورانيوم، تطير معظم النيوترونات دون الاصطدام بأي نواة. بالنسبة لليورانيوم النقي 235، تبلغ الكتلة الحرجة حوالي 50 كجم.

(اكتب فى دفتر ملاحظاتك: الكتلة الحرجة - الحد الأدنى من المبلغمادة انشطارية ضرورية لبدء تفاعل متسلسل انشطاري ذاتي الاستدامة).

(الشريحة 16)

يمكن تقليل الكتلة الحرجة لليورانيوم عدة مرات باستخدام ما يسمى بالمهدئات النيوترونية. والحقيقة هي أن النيوترونات المنتجة أثناء تحلل نوى اليورانيوم لها سرعات عالية جدًا، واحتمال التقاط النيوترونات البطيئة بواسطة نوى اليورانيوم 235 أكبر بمئات المرات من النيوترونات السريعة. أفضل وسيط نيوتروني هو الماء الثقيل H 2 O. عند التفاعل مع النيوترونات، يتحول الماء العادي نفسه إلى ماء ثقيل.

يعتبر الجرافيت، الذي لا تمتص نواته النيوترونات، وسيطًا جيدًا أيضًا. أثناء التفاعل المرن مع الديوتيريوم أو نوى الكربون، تبطئ النيوترونات حركتها.

إن استخدام معدلات النيوترونات وقذيفة البريليوم الخاصة التي تعكس النيوترونات يجعل من الممكن تقليل الكتلة الحرجة إلى 250 جم (0.25 كجم).

اكتب فى دفتر ملاحظاتك:

يمكن تقليل الكتلة الحرجة إذا:

استخدام المشرفين (الجرافيت، الماء العادي والثقيل)

قذيفة عاكسة (البريليوم)).

وفي القنابل الذرية، يحدث تفاعل نووي متسلسل غير منضبط عندما يتم دمج قطعتين من اليورانيوم 235 بسرعة، كل منهما له كتلة أقل بقليل من الكتلة الحرجة.

القنبلة الذرية هي سلاح رهيب. العوامل الضارة منها: 1) الإشعاع الضوئي (بما في ذلك الأشعة السينية و الإشعاع الحراري); 2) موجة الصدمة. 3) التلوث الإشعاعي للمنطقة. لكن انشطار نواة اليورانيوم يستخدم أيضًا للأغراض السلمية - في المفاعلات النووية في محطات الطاقة النووية. سننظر في العمليات التي تحدث في هذه الحالات في الدرس التالي.

يتميز منتصف القرن العشرين بتسارع العلوم: تسارع مذهل، وإدخال الإنجازات العلمية في الإنتاج وفي حياتنا. كل هذا يجعلنا نفكر: ماذا سيقدم لنا العلم غدًا؟
إن تخفيف كل مصاعب الوجود الإنساني هو الهدف الرئيسي للعلم التقدمي الحقيقي. لجعل البشرية أكثر سعادة، ليس شخصًا واحدًا فقط، وليس اثنين، بل البشرية. وهذا مهم للغاية، لأنه، كما تعلمون، يمكن للعلم أيضا أن يتصرف ضد الشخص. ويعد الانفجار الذري في مدينتي هيروشيما وناغازاكي اليابانيتين مثالا مأساويا على ذلك.

لذلك، 1945، أغسطس. ثانية الحرب العالميةيقترب من نهايته.

(الشريحة 2)

في 6 أغسطس الساعة 1:45 صباحًا، أقلعت قاذفة قنابل أمريكية من طراز B-29 تحت قيادة العقيد بول تيبيتس من الجزيرة، التي كانت تبعد حوالي 6 ساعات طيران عن هيروشيما.

(الشريحة 3)

هيروشيما بعد الانفجار الذري.

الذي يتجول ظله هناك دون أن يرى،
هل أنت أعمى من المتاعب؟
هذا هو بكاء هيروشيما
في سحابات الرماد.
من صوته هناك في الظلام الحارق؟
هل يمكنك سماع الهيجان؟
إنها بكاء ناجازاكي
على الأرض المحروقة
في هذا البكاء والنحيب
ليس هناك باطل
العالم كله تجمد تحسبا -
من سيبكي بعد ذلك؟

(الشريحة 4)

وتراوح عدد القتلى من التأثير المباشر للانفجار من 70 إلى 80 ألف شخص. بحلول نهاية عام 1945، وبسبب التلوث الإشعاعي والآثار اللاحقة الأخرى للانفجار، تراوح العدد الإجمالي للوفيات من 90 إلى 166 ألف شخص. وبعد 5 سنوات وصل إجمالي عدد الوفيات إلى 200 ألف شخص.

(الشريحة 5)

في 6 أغسطس، بعد تلقيه أخبار نجاح القصف الذري على هيروشيما، أعلن الرئيس الأمريكي ترومان ذلك

"نحن الآن على استعداد لتدمير جميع منشآت الإنتاج البرية لليابانيين في أي مدينة، بشكل أسرع وأكثر اكتمالًا من ذي قبل. سوف ندمر أرصفة السفن ومصانعهم واتصالاتهم. لا ينبغي أن يكون هناك أي سوء فهم، فسوف ندمر بالكامل قدرة اليابان على شن الحرب".

(الشريحة 6)

في الساعة 2:47 يوم 9 أغسطس، أقلعت قاذفة قنابل أمريكية من طراز B-29 من الجزيرة تحت قيادة رائد، وعلى متنها قنبلة ذرية. في الساعة 10:56 وصلت الطائرة B-29 إلى ناغازاكي. ووقع الانفجار الساعة 11:02 بالتوقيت المحلي.

(الشريحة 7)

وتراوح عدد الوفيات بنهاية عام 1945 من 60 إلى 80 ألف شخص. وبعد 5 سنوات، قد يصل إجمالي عدد القتلى، بما في ذلك الوفيات الناجمة عن السرطان وغيره من الآثار طويلة المدى للانفجار، إلى 140 ألفًا أو حتى تجاوزه.

هذه هي القصة الحزينة والتحذير

كل شخص ليس جزيرة،

كل شخص هو جزء من قارة كبيرة.
ولا تسأل أبدًا لمن تقرع الجرس.
هو يدعو لك...

الدمج.

ماذا تعلمنا في الصف اليوم؟ (مع آلية انشطار نواة اليورانيوم، مع تفاعل متسلسل)

ما هي شروط حدوث التفاعل المتسلسل؟

ما هي الكتلة الحرجة؟

ما هو معدل التكاثر؟

ما الذي يعمل بمثابة وسيط النيوترونات؟

انعكاس.

ما هو شعورك عندما تترك الصف؟

تقدير.