الانشطار النووي: عملية انقسام نواة الذرة. التفاعلات النووية. انشطار نواة اليورانيوم. تفاعل تسلسلي. وصف العملية
كل هذا الالتباس واضح الآن. اتضح أن نوعًا جديدًا من التحول النووي يمكن أن يحدث في اليورانيوم تحت تأثير النيوترونات. هذا التحول ، الذي اكتشفه هان وستراسمان عام 1938 وعرف في بداية عام 1939 ، يتمثل في حقيقة أن نواة اليورانيوم ، بعد التقاط النيوترون ، يمكن أن تنقسم إلى نصفين.
في جميع التفاعلات النووية الأخرى ، على الأكثر ، يطير جسيم ألفا خارج النواة. هنا ، يتم الحصول على نواتين متوسطي الوزن الذري من اليورانيوم ، على سبيل المثال ، الكريبتون والباريوم:
(يورانيوم) 2 || + نيوترون ->. (يورانيوم) ش (كريبتون) ^ - [- (باريوم) '| ؟.
الطاقة الرابطة للشظايا ، أي نوى الكريبتون والباريوم ، أكبر بكثير من طاقة اليورانيوم. لذلك ، أثناء انشطار اليورانيوم ، يتم إطلاق طاقة هائلة تبلغ 170 مليون فولت ، أي 10 مرات أكثر مما كانت عليه أثناء تدمير الليجيوم بواسطة البروتونات. تنتقل الطاقة المنبعثة أثناء الانشطار إلى الطاقة الحركية لشظايا اليورانيوم ، أي أن هذه الأجزاء تكتسب سرعة هائلة.
وبالمناسبة ، فإن انشطار اليورانيوم مشابه لانشطار الليثيوم:
(الليثيوم) - (- بروتون) (البريليوم) ® - ". (الهليوم) 2+ (الهيليوم) *.
في كلتا الحالتين ، تنقسم النواة إلى نصفين ، كما أن أسباب إطلاق الطاقة واحدة. ومع ذلك ، فإن النوى الأثقل من الليثيوم تصدر دائمًا جسيم ألفا على الأكثر ؛ عندما يتم تدمير الليثيوم ، يتم أيضًا الحصول على جزيئات ألفا فقط. لذلك ، فإن انشطار اليورانيوم هو ظاهرة خاصة جدا.
دعونا نرى كيف يحدث هذا الانشطار لليورانيوم. نواة اليورانيوم ، التي تتكون من أكثر من مائتي جسيم ، تشبه قطرة صغيرة مشحونة دائرية ولها شكل كروي (الشكل 16 ، أ). إذا بدأنا في تغيير شكل النواة ، فسيحدث نفس الشيء تمامًا كما يحدث مع القطرة. مع ملف
عندما تتمدد النواة ، فإنها تميل إلى العودة إلى شكلها الكروي الأصلي ، لأنه في هذه الحالة يكون سطح النواة هو الأصغر ؛ زيادة السطح غير مفيد ، فهو يتطلب طاقة.
ولكن إذا غيرنا كثيرا - شكل النواة - كما هو مبين في الشكل. 16 ، في - إذن ستكون بالفعل النواة
من الأفضل أن تنقسم إلى نصفين ، لأن كلا الجزأين من النواة يتنافران عن بعضهما البعض بواسطة قوى كهربائية ، ويصبح هذا التنافر مهمًا.
لا ، من فقدان الطاقة المرتبط بزيادة السطح.
وبالتالي ، لكي يحدث انشطار نواة اليورانيوم ، من الضروري إحداث حركات قوية في النواة ، مما يؤدي إلى التغيير المطلوب في شكلها.
4 في.إل. جينزبورج 49
يمكن لنيوترون يدخل نواة اليورانيوم أن يثير حركات قوية وبالتالي يؤدي إلى انشطار هذه النواة. أثناء الانشطار ، يتم الحصول على شظايا مختلفة ، على سبيل المثال ، الكريبتون والباريوم ، أو الروبيديوم والسيزيوم (من حالة إلى حالة ، يمكن الحصول على زوج واحد من النوى أو آخر).
يمكن ملاحظة شظايا في غرفة السحب (الشكل 17).
ومع ذلك ، فبالنسبة لجميع الشظايا الناتجة عن انشطار اليورانيوم ، هناك سمة واحدة مميزة - تبين أنها محملة جدًا بالنيوترونات. الشيء هو
حقيقة أنه في العناصر الثقيلة تكون نسبة عدد النيوترونات إلى عدد البروتونات أكبر منها في العناصر الخفيفة.
على سبيل المثال في اليورانيوم 2 !! يوجد 146 نيوترونًا و 92 بروتونًا ، وفي الأكسجين يوجد عدد متساوٍ من النيوترونات والبروتونات.
تحتوي نظائر الكريبتون والباريوم الموجودة بشكل طبيعي على 50 و 82 نيوترونًا على الأكثر ، أو ما مجموعه 132 نيوترونًا. في غضون ذلك ، في نواة يورانيوم بوزن 239 ، تتحلل إلى كريبتون وباريوم ، يوجد 147 نيوترونًا. لذلك ، فإن نوى الكريبتون والباريوم ، التي تشكلت أثناء انشطار اليورانيوم ، ستحتوي معًا على 50
15 نيوترونًا إضافيًا. يؤدي هذا الظرف إلى حقيقة أنه في الشظايا الناتجة عن انشطار اليورانيوم ، يتم تحويل النيوترونات الزائدة إلى بروتونات ، أي تتحول هذه الأجزاء إلى مواد مشعة وتنبعث منها جسيمات بيتا. الكريبتون ، على سبيل المثال ، يتحلل مثل هذا:
(كريبتون) 3 (G> (روبيديوم) 37 - (إلكترون) (سترونتيوم) 38 -) - (إلكترون).
وهكذا ، أثناء انشطار اليورانيوم ، يتم إنتاج الكثير من العناصر ، معظمها مشعة.
لكن الحمل الزائد للشظايا بواسطة النيوترونات كبير جدًا لدرجة أن الأمر لا يقتصر على نشاط إشعاعي واحد ، والعديد من النيوترونات تطير ببساطة في شكل حر.
وبالتالي ، أثناء انشطار اليورانيوم الناجم عن النيوترونات ، يتم إطلاق نيوترونات جديدة ، وعددها يساوي اثنين أو ثلاثة لكل نواة منهارة (الشكل 18).
تلعب هذه الحقيقة دورًا حاسمًا في استخدام الطاقة النووية.
تبين أن انشطار اليورانيوم هو تحول نووي من هذا النوع فقط ، حيث يؤدي نيوترون واحد إلى انبعاث عدة نيوترونات جديدة. في الوقت نفسه ، يتم إطلاق الكثير من الطاقة. إذا نجحت النيوترونات الناتجة عن الانشطار في إحداث انشطار جديد للنواة ، فإن عدد النيوترونات والنوى المكسورة سيزداد طوال الوقت ، ولن يتوقف التفاعل.
علاوة على ذلك ، إذا لم يتم اتخاذ تدابير خاصة ، فإن رد الفعل هذا سوف ينمو بشكل عنيف بحيث يؤدي إلى انفجار. مثل هذا التفاعل ، الذي ينمو بدون أي مصادر خارجية ، كما قلنا سابقًا ، يسمى تفاعل متسلسل.
اتضح أنه في اليورانيوم مثل هذا التفاعل المتسلسل في شروط معينةيمكن تنفيذها.
هذه هي الطريقة التي تم بها إطلاق الطاقة النووية لأول مرة.
إطلاق الطاقة أثناء الانشطار النووي.كما هو الحال في التفاعلات النووية الأخرى ، فإن الطاقة المنبعثة أثناء الانشطار تعادل الفرق في كتل الجسيمات المتفاعلة والنواتج النهائية. نظرًا لأن طاقة الارتباط لنواة في اليورانيوم والطاقة الرابطة لنوكلون واحد في شظايا ، أثناء انشطار اليورانيوم ، يجب إطلاق الطاقة
وهكذا ، أثناء انشطار النواة ، يتم إطلاق طاقة ضخمة ، ويتم إطلاق الجزء الأكبر منها في شكل الطاقة الحركية لشظايا الانشطار.
التوزيع الشامل لنواتج الانشطار.يتم تقسيم نواة اليورانيوم في معظم الحالات بشكل غير متماثل. اثنين من شظايا النووية على التوالي سرعات مختلفةوأوزان مختلفة.
تنقسم الشظايا إلى مجموعتين حسب كتلتها ؛ أحدهما قريب من الكريبتون والآخر بالقرب من الزينون. ترتبط كتل الشظايا ببعضها البعض في المتوسط كما هو الحال في قوانين الحفاظ على الطاقة والزخم ، يمكن الحصول على أن الطاقات الحركية للشظايا يجب أن تكون متناسبة عكسيًا مع كتلها :
يكون منحنى ناتج الانشطار متماثلًا بالنسبة للخط المستقيم العمودي الذي يمر عبر النقطة ، ويشير العرض الكبير للحد الأقصى إلى تنوع مسارات الانشطار.
أرز. 82. التوزيع الشامل لنواتج انشطارية اليورانيوم
تشير الخصائص المذكورة بشكل أساسي إلى الانشطار تحت تأثير النيوترونات الحرارية ؛ في حالة الانشطار تحت تأثير النيوترونات بطاقة عدة أو أكثر ، تنقسم النواة إلى جزأين متماثلتين في الكتلة.
خصائص نواتج الانشطار.أثناء انشطار ذرة اليورانيوم ، يتم إلقاء عدد كبير جدًا من إلكترونات الغلاف ، وتكون شظايا الانشطار عبارة عن أيونات موجبة متأينة تقريبًا ، والتي ، عند مرورها عبر المادة ، تؤين الذرات بشدة. لذلك ، فإن مسارات الشظايا في الهواء صغيرة وقريبة من 2 سم.
من السهل إثبات أن الأجزاء المتكونة أثناء الانشطار يجب أن تكون مشعة وعرضة لانبعاث النيوترونات. في الواقع ، بالنسبة إلى النوى المستقرة ، تختلف نسبة عدد النيوترونات والبروتونات اعتمادًا على A على النحو التالي:
(انظر المسح)
تقع النوى الناتجة عن الانشطار في منتصف الجدول ، وبالتالي تحتوي على نيوترونات أكثر مما هو مقبول لاستقرارها. يمكن تحريرها من النيوترونات الزائدة عن طريق التحلل وبانبعاث النيوترونات مباشرة.
النيوترونات المتأخرة.في واحدة من خياراتينتج الانشطار البروم المشع. على التين. يظهر الشكل 83 مخططًا لاضمحلاله ، وفي نهايته نظائر مستقرة
ميزة مثيرة للاهتمام لهذه السلسلة هي أنه يمكن تحرير الكريبتون من النيوترون الزائد إما بسبب -decay ، أو إذا تم تشكيله في حالة مثارة بسبب الانبعاث المباشر للنيوترون. تظهر هذه النيوترونات بعد 56 ثانية من الانشطار (العمر مرتبط بالانتقال إلى حالة الإثارة ، على الرغم من أنها نفسها تصدر نيوترونات على الفور تقريبًا.
أرز. 83- مخطط اضمحلال البروم المشع المتكون في حالة مثارة أثناء انشطار اليورانيوم
يطلق عليهم النيوترونات المتأخرة. بمرور الوقت ، تنخفض شدة النيوترونات المتأخرة بشكل كبير ، كما هو الحال في الاضمحلال الإشعاعي الطبيعي.
طاقة هذه النيوترونات تساوي طاقة الإثارة للنواة. على الرغم من أنها تشكل 0.75 ٪ فقط من جميع النيوترونات المنبعثة في الانشطار ، تلعب النيوترونات المتأخرة دورًا مهمًا في تنفيذ تفاعل متسلسل.
نيوترونات سريعة.يتم إطلاق أكثر من 99٪ من النيوترونات في غضون فترة زمنية قصيرة للغاية ؛ يطلق عليهم النوترونات الفورية.
عند دراسة عملية الانشطار ، يُطرح السؤال الأساسي ، كم عدد النيوترونات التي يتم إنتاجها في حدث انشطار واحد ؛ هذا السؤال مهم لأنه إذا كان عددهم كبيرًا في المتوسط ، فيمكن استخدامه لتقسيم النوى اللاحقة ، أي يصبح من الممكن إنشاء تفاعل متسلسل. أكثر من حل هذه القضية في 1939-1940. عملت تقريبًا في جميع المعامل النووية الكبرى في العالم.
أرز. 84. طيف طاقة النيوترونات المستمدة من انشطار اليورانيوم 235
توزيع طاقة الانشطار.أعطى القياس المباشر لطاقة الشظايا والطاقة المنقولة بواسطة نواتج الانشطار الأخرى توزيع الطاقة التقريبي التالي
1.8 الانشطار النووي
1.8.1. تفاعلات انشطار نوى ثقيلة. آلية الانشطار النووي وطاقة التنشيط. تكوين نواتج الانشطار النووي وطاقة الانشطار. نظرية الانشطار الأولية
الانشطار النووي- تفاعل نووي يتكون فيه نواتان (نادرًا ثلاثة) متشظية. ويصاحب هذه العملية انبعاث نيوترونات ثانوية وكميات وإطلاق كمية كبيرة من الطاقة.
مرجع تاريخي. في عام 1938 ، في ألمانيا ، أظهر O. Gann و F. Strassmann من خلال تحليل دقيق كيميائي إشعاعي أنه عندما يتم تشعيع اليورانيوم بالنيوترونات ، يتشكل عنصر الباريوم فيه ، والذي يقع في منتصف الجدول الدوري. بدا رد الفعل
، (Q≈ 200 MeV). (1.82)
هناك أكثر من 30 قناة خرج انشطار يورانيوم -235. اكتشف F. Joliot-Curie مع متعاونين في فرنسا و E. Fermi مع متعاونين في إيطاليا انبعاث عدة نيوترونات في قناة الإخراج. لاحظ O. Frisch و L.Mitner في ألمانيا الكمية الهائلة من الطاقة المنبعثة أثناء الانشطار. وقد أدى ذلك إلى طرح فكرة تفاعل الانشطار النووي المستدام ذاتيًا. في عام 1940 ، تم اكتشاف الانشطار النووي التلقائي في روسيا. أساس الطاقة النووية الحديثة هو انشطار نوى اليورانيوم والبلوتونيوم تحت تأثير النيوترونات. بدأ العصر النووي عام 1938.
يمكن أن يحدث الانشطار النووي أيضًا تحت تأثير البروتونات ، والكميات ، والجسيمات ألفا ، وما إلى ذلك. الانشطار القسري لنواة مثارة بواسطة نيوترون ( ن, F) تتنافس مع العمليات الأخرى: مع الالتقاط الإشعاعي للنيوترونات ( ن, γ ) ، أي انبعاث γ-quantum وتشتت النيوترون على النواة ( ن, ن).
يتم تحديد احتمال الانشطار النووي بنسبة المقطع العرضي للانشطار σ Fنواة للمقطع العرضي لالتقاط النيوترون الكلي.
النظائر ، مقسومة على النيوترونات من جميع الطاقات ، بدءا من الصفر. في سياق المقاطع العرضية الانشطارية لهذه النظائر ، تظهر الرنينات المقابلة لمستويات الطاقة في النواة الانشطارية (انظر الشكل 1.13).
آلية الانشطار النووي وطاقة التنشيط
يتم شرح عملية الانشطار النووي على أنها تقسيم قطرة سائل مشحونة متجانسة تحت تأثير قوى كولوم (Frenkel Ya. M، Bor N.، Wheeler، 1939). للفصل ، يجب أن تكتسب النواة طاقة حرجة معينة تسمى طاقة التنشيط. بعد التقاط النيوترون ، يتم تكوين نواة مركبة مثارة. تبدأ النواة المثارة في التذبذب. لا يتغير حجم النواة (المادة النووية غير قابلة للضغط عمليا) ، لكن سطح النواة يزداد. تزداد الطاقة السطحية ، وبالتالي ، تميل قوى التوتر السطحي إلى إعادة اللب إلى حالته الأصلية. تنخفض قيمة طاقة كولوم في القيمة المطلقة بسبب الزيادة في متوسط المسافة بين البروتونات. تميل قوى كولوم إلى كسر النواة. تتحول النواة من شكل كروي إلى شكل بيضاوي ، ثم يحدث تشوه رباعي للنواة ، ويتكون انقباض ، وتتحول النواة إلى دمبل ، ينكسر ، ويشكل جزئين ، و "البقع" - زوج من النيوترونات.
من خصائص قدرة النواة على الانشطار نسبة طاقة كولوم إلى طاقة السطح المأخوذة من الصيغة شبه التجريبية لطاقة الارتباط للنواة
أين - معلمة القسمة.
يمكن أن تنشطر النوى ذات معامل الانشطار> 17 ، مع معامل الانشطار الحرج () cr = 45 تنشطر فورًا (شرط الانشطار التلقائي للنواة). لكي تنقسم النواة ، يجب أن تتغلب على حاجز طاقة يسمى حاجز الانشطار. في حالة الانشطار القسري ، تستقبل النواة هذه الطاقة عند أسر النيوترون.
تكوين نواتج الانشطار
شظايا الانشطار . النوع الرئيسي من الانشطار النووي هو الانشطار إلى جزأين. يتم تقسيم الشظايا على الكتلة بشكل غير متماثل بنسبة اثنين إلى ثلاثة. يتم تعريف ناتج نواتج الانشطار على أنه نسبة عدد الانشطار الناتج عن جزء مع المعطى أل العدد الكاملالانقسامات. نظرًا لأن كل انشطار ينتج نواتين ، فإن الناتج الإجمالي لكل انشطار لجميع الأعداد الكتلية هو 200٪. يظهر توزيع الكتلة الشظية أثناء الانشطار النووي في الشكل. 1.14 يوضح الشكل منحنى نموذجي ثنائي الحدبة لتوزيع ناتج الانشطار الكلي بواسطة النيوترونات الحرارية. عزم الشظايا متساويان ومتعاكسان في الإشارة. تصل سرعات الشظايا إلى 107 م / ث.
الشكل 1.14. الاعتماد على ناتج نواتج الانشطار لليورانيوم 235 والبلوتونيوم 239 تحت تأثير النيوترونات الحرارية على العدد الكتلي أ.
نيوترونات الانشطار . في لحظة التكوين ، شظايا النواة الأصلية مشوهة بشدة. تتحول الطاقة الكامنة الزائدة للتشوه إلى طاقة الإثارة للشظايا. تحتوي شظايا الانشطار على شحنة كبيرة ومخصبة بالنيوترونات ، مثل النواة الأصلية. تنتقل إلى نوى مستقرة ، وتتخلص من النيوترونات الثانوية والكميات. تتم إزالة إثارة نوى الشظايا عن طريق "تبخر" النيوترونات.
نيوترونات الانشطار الفوري هي نيوترونات تنبعث من شظايا مثارة في وقت أقل من 4 10-14 ثانية. تتبخر من الشظايا متناحرة.
في نظام إحداثيات المختبر(l.s.c.) طيف طاقة النيوترونات الانشطارية موصوف جيدًا من خلال توزيع ماكسويل
أين ههي الطاقة النيوترونية في l. s.k..gif "width =" 63 height = 46 "height =" 46 "> - متوسط طاقة الطيف.
رقم الخامسالنيوترونات الثانوية لكل فعل انشطار بالنيوترونات الحرارية هي لليورانيوم 235 الخامس= 2.43 ، بلوتونيوم 239 الخامس= 2.89. (على سبيل المثال ، يتم إنتاج 289 نيوترونًا ثانويًا في وقت واحد لـ 100 حدث انشطار).
انبعاث γ-quanta . بعد "تبخر" النيوترونات من الشظايا ، لا يزال لديهم طاقة الإثارة ، والتي يتم نقلها بعيدًا عن طريق γ-quanta الفوري. تحدث عملية انبعاث γ-quanta في وقت ~ 10-14 ثانية بعد انبعاث النيوترونات. إجمالي الطاقة المشعة الفعالة لكل قسم هالمجموع = 7.5 MeV..gif "width =" 67 "height =" 28 src = "> MeV. متوسط عدد γ-quanta لكل قسم.
النيوترونات المتأخرة - النيوترونات التي تظهر بعد انشطار النوى الأصلية (من 10-2 ثانية إلى 102 ثانية). عدد النيوترونات المتأخرة< 1% от полного количества нейтронов деления. Механизм испускания связан с β - اضمحلال الانشطار من النوع الذي طاقته β -تحلل أكثر من طاقة الربط للنيوترون. في هذه الحالة ، هناك حظر β -الانتقال إلى الحالة الأرضية وطاقة فصل النيوترونات المنخفضة. طاقة الإثارة للنواة أكبر من طاقة الارتباط للنيوترون. يطير النيوترون على الفور بعد تكوين نواة مثارة من نواة شظية نتيجة β -فساد. ومع ذلك ، مع مرور الوقت ، لا يحدث هذا إلا بعد نصف عمر نواة الجزء.
يوضح الجدول توزيع الطاقة لكل فعل انشطار لنواة ثقيلة بواسطة النيوترونات الحرارية. 1.4
طاقة نواتج الانشطار النووي الجدول 1.4
الطاقة الحركية لشظية الضوء تي osk l ، MeV | ||
الطاقة الحركية لجزء ثقيل تي osc t MeV | ||
الطاقة الحركية للنيوترونات الانشطارية هن MeV | ||
طاقة الكميات السريعة Еγم إلكترون فولت | ||
طاقة β - جسيمات نواتج الانشطار Еβ MeV | ||
طاقة إشعاع γ من نواتج الانشطار Еγالعلاقات العامة MeV | ||
منتج الانشطار الطاقة المضادة للنوترينو هالخامس MeV | ||
طاقة إشعاع γ بسبب التقاط النيوترونات Еγن MeV | ||
إجمالي الطاقة المنبعثة أثناء الانشطار النووي سΣ إلكترون فولت | ||
طاقة الانشطار الحراري
كيو تي = تأوسك ل + ت osc t + هن+ Еγم + Еβ + Еγإلخ + Еγ = 204 ميغا إلكترون فولت.
لا يتم إطلاق الطاقة التي يحملها مضاد النيترينو في شكل طاقة حرارية ؛ لذلك ، يقع 200 ميجا فولت تقريبًا على فعل واحد من انشطار النواة بواسطة نيوترون حراري. بقوة حرارية تبلغ 1 وات ، تحدث 3.1.1010 قسم / ثانية. في تفاعلات كيميائيةذرة واحدة لها طاقة ~ 1 eV.
نظرية الانشطار الأولية
افترض أنه أثناء عملية قسمة https://pandia.ru/text/78/550/images/image028_18.gif "width =" 31 "height =" 27 src = "> يتم الاحتفاظ بالرقم الكتلي أوشحن ض. هذا يعني أننا نأخذ في الاعتبار القطع فقط:
أ 1+ أ 2 = أ , ض 1+ ض 2 = ض,
النواة مقسمة بنسبة 2 إلى 3:
أ 1 / أ 2 = ض 1 / ض 2=2/3.
طاقة التفاعل تساوي طاقة الشظايا س = تينعم
س = ج2 [م – (م1 + م2 ) ],
س= هsv1+ هsv2– هشارع., (1.85)
أين هشارع.هي الطاقة الرابطة الكلية للنواة فيما يتعلق بجميع النيوكليونات المكونة لها
على نفس المنوال ه sv1 ، هsv2هي طاقات الربط من الشظايا الأولى والثانية.
استبدال (1.86) وكلا الصيغتين لـ ه sv1 ، هنحصل على s2 في (1.85) وبغض النظر عن الحد الأخير
بافتراض (1.15) = 17.23 MeV ، https://pandia.ru/text/78/550/images/image026_22.gif "width =" 31 "height =" 20 "> نحصل على الطاقة الحركية للشظايا Tock ≈ 178 إلكترون فولت ، والتي تتجاوز قيمة الجدول بمقدار 10 إلكترون فولت فقط.
1.8.2. سلسلة تفاعلات انشطار نوى اليورانيوم. صيغة للتكاثر في سلسلة من ردود الفعل. معدلات التكاثر. صيغة أربعة عوامل
سلسلة تفاعلات الانشطار النوويالنوى الثقيلة بالنيوترونات هي تفاعلات نووية يزداد فيها عدد النيوترونات وتحدث عملية الاكتفاء الذاتي للانشطار النووي للمادة. التفاعلات المتشعبة الكيميائية والنووية هي دائما طاردة للحرارة. تفاعل تسلسليالانشطار ممكن عمليًا على ثلاثة نظائر وهو ممكن فقط لأنه أثناء انشطار النواة بواسطة نيوترون أولي ، يطير أكثر من نيوترونين ثانويين في قناة الإخراج.
عامل الضرب ل- السمة الرئيسية لتطوير تفاعل نووي متسلسل.
أين نيهو عدد النيوترونات المنتجة في أنا-جيل، ني-1 هو عدد النيوترونات المنتجة في ( أنا–1) جيل.
تم إنشاء نظرية التفاعلات النووية المتسلسلة أيضًا في عام 1939 عن طريق القياس مع نظرية التفاعلات الكيميائية المتسلسلة (1934). من الممكن حدوث تفاعل تسلسلي نووي مستدام ذاتيًا عندما ك> 1 - رد فعل فوق الحرج ، ك= 1 - رد فعل حرج. لو ك<1 – реакция подкритическая, она затухает.
صيغة لمضاعفة النيوترونات في تفاعل متسلسل
إذا كان هناك في بداية رد الفعل نالنيوترونات ، ثم في جيل واحد سيصبح عددها
مثل..gif "width =" 108 "height =" 48 "> ،
أين τ هي متوسط عمر جيل واحد من النيوترونات
إذا فصلنا المتغيرات ودمجناها ، نحصل على
باستخدام الصيغة ، نحصل أخيرًا على أن عدد النيوترونات يزداد بمرور الوقت رأسًا موجبًا
https://pandia.ru/text/78/550/images/image027_18.gif "width =" 37 "height =" 23 "> نيوترونات بطيئة وانشطار نووي بواسطة نيوترونات سريعة.
معدلات التكاثر. صيغة أربعة عوامل
دع نظام اليورانيوم + وسيط أبعاد لا حصر لها. لنفترض أنه في لحظة ولادة جيل من النيوترونات ، ننيوترونات حرارية ، كل منها يشكل https://pandia.ru/text/78/550/images/image058_8.gif "width =" 126 "height =" 37 "> ، (1.91)
حيث σU هي المقطع العرضي لامتصاص النيوترونات الحرارية البطيئة بواسطة اليورانيوم ،
σ3 هو المقطع العرضي لامتصاص النيوترونات الحرارية البطيئة بواسطة الوسيط ،
ρU هو تركيز نوى اليورانيوم ، ρ3 هو تركيز نوى الوسيط.
وبالتالي ، فإن عدد النيوترونات الحرارية التي يلتقطها الوقود النووي هو ( نηεрF). عامل تكاثر النيوترونات في وسط لانهائي(صيغة أربعة عوامل)
عامل تكاثر النيوترونات في الوسط النهائي
الكاف=, (1.93)
أين - الاحتمال الكلي بأن النيوترون سوف يفلت من التسرب الأساسي.
يكفي حدوث تفاعل تسلسلي نووي ثابت في النظام النهائي الكاف= 1. هذا يتوافق شديد الأهمية(أصغر للتفاعل) حجم المنطقة النشطة. (بالنسبة لليورانيوم النقي ، هذه كرة نصف قطرها 8.5 سم وكتلة 47 كجم) .. gif "العرض =" 25 ارتفاع = 23 "ارتفاع =" 23 ">> 1.
تم تنفيذ أول تفاعل تسلسلي نووي متحكم به بواسطة E.Fermi في شيكاغو في عام 1942. كان المفاعل النووي η = 1.35 ، ε ≈ 1.03 ، ε ص≈ 0.8 = 1.08 من أجل لاف مطلوب θ0.93 ، والذي يتوافق مع حجم 5 × 10 م ، وكان للمفاعل النووي الذي بني في موسكو عام 1946 معايير مماثلة.
>> انشطار اليورانيوم
§ 107 انشطار نوى أورانيوس
يمكن تقسيم نوى بعض العناصر الثقيلة فقط إلى أجزاء. أثناء انشطار النوى ، ينبعث اثنان أو ثلاثة من النيوترونات و -rays. في الوقت نفسه ، يتم إطلاق الكثير من الطاقة.
اكتشاف انشطار اليورانيوم.تم اكتشاف انشطار نوى اليورانيوم في عام 1938 من قبل العالمين الألمان O.Hahn و F. ستراسمان. ووجدوا أنه عندما يقصف اليورانيوم بالنيوترونات ، تظهر عناصر من الجزء الأوسط. النظام الدوري: الباريوم ، الكريبتون ، إلخ. ومع ذلك ، فإن التفسير الصحيح لهذه الحقيقة على وجه التحديد هو أن انشطار نواة اليورانيوم التي استولت على نيوترون تم تقديمه في بداية عام 1939 من قبل الفيزيائي الإنجليزي O. Frisch مع الفيزيائي النمساوي L. Meitner.
إن أسر النيوترون يدمر استقرار النواة. النواة متحمسة وتصبح غير مستقرة ، مما يؤدي إلى انقسامها إلى أجزاء. الانشطار النووي ممكن لأن الكتلة المتبقية لنواة ثقيلة أكثر من المبلغالكتل المتبقية من الشظايا الناتجة أثناء الانشطار. لذلك ، هناك إطلاق للطاقة يعادل انخفاض الكتلة المتبقية المصاحبة للانشطار.
يمكن أيضًا تفسير إمكانية انشطار النوى الثقيلة باستخدام مخطط التبعية محددة في مجال الطاقةاتصالات من العدد الكتلي A (انظر الشكل 13.11). طاقة الربط المحددة لنوى ذرات العناصر التي تشغل الأماكن الأخيرة في النظام الدوري (A 200) أقل بحوالي 1 إلكترون فولت من طاقة الربط المحددة في نوى العناصر الموجودة في منتصف النظام الدوري (أ 100) . لذلك ، فإن عملية انشطار النوى الثقيلة إلى نوى العناصر في الجزء الأوسط من النظام الدوري مواتية بقوة. بعد الانشطار ، ينتقل النظام إلى حالة بأقل قدر من الطاقة الداخلية. بعد كل شيء ، كلما زادت طاقة الارتباط للنواة ، كلما زادت الطاقة التي يجب إطلاقها عندما تنشأ النواة ، وبالتالي ، انخفضت الطاقة الداخلية للنظام المشكل حديثًا.
أثناء الانشطار النووي ، تزداد طاقة الارتباط لكل نيوكليون بمقدار 1 ميجا فولت ، ويجب أن يكون إجمالي الطاقة المنبعثة ضخمًا - حوالي 200 ميجا فولت. لا يوجد تفاعل نووي آخر (لا علاقة له بالانشطار) يطلق مثل هذه الطاقات الكبيرة.
أكدت القياسات المباشرة للطاقة المنبعثة أثناء انشطار نواة اليورانيوم الاعتبارات المذكورة أعلاه وأعطت قيمة 200 ميغا إلكترون فولت. علاوة على ذلك ، فإن معظم هذه الطاقة (168 ميغا إلكترون فولت) تقع على الطاقة الحركية للشظايا. في الشكل 13.13 ، ترى مسارات شظايا اليورانيوم الانشطاري في غرفة سحابية.
الطاقة المنبعثة أثناء الانشطار النووي هي من مصدر إلكتروستاتيكي وليس نووي. تنشأ الطاقة الحركية الكبيرة التي نشأت عن الشظايا بسبب تنافر كولوم.
آلية الانشطار النووي.عملية التقسيم نواة ذريةيمكن تفسيره على أساس نموذج الإسقاط للنواة. وفقًا لهذا النموذج ، تشبه مجموعة النيوكليونات قطرة من سائل مشحون (الشكل 13.14 ، أ). القوى النووية بين النيوكليونات قصيرة المدى ، مثل القوى التي تعمل بين الجزيئات السائلة. إلى جانب القوى القوية للتنافر الكهروستاتيكي بين البروتونات ، والتي تميل إلى تمزيق النواة ، لا تزال هناك قوى جذب نووية كبيرة. هذه القوى تمنع النواة من التفكك.
نواة اليورانيوم 235 كروية. بعد امتصاصه لنيوترون إضافي ، يكون متحمسًا ويبدأ في التشوه ، ويكتسب شكلًا ممدودًا (الشكل 13.14 ، ب). سوف يمتد اللب حتى تبدأ قوى التنافر بين نصفي القلب الممدود في التغلب على القوى الجذابة التي تعمل في البرزخ (الشكل 13.14 ، ج). بعد ذلك ، يتم تقسيمها إلى جزأين (الشكل 13.14 ، د).
تحت تأثير قوى التنافر كولوم ، تتطاير هذه الشظايا بسرعة تساوي 1/30 من سرعة الضوء.
انبعاث النيوترونات أثناء الانشطار.الحقيقة الأساسية للانشطار النووي هي انبعاث اثنين أو ثلاثة نيوترونات أثناء الانشطار. بفضل هذا أصبح الاستخدام العملي للطاقة النووية ممكنًا.
من الممكن أن نفهم سبب انبعاث النيوترونات الحرة من الاعتبارات التالية. من المعروف أن نسبة عدد النيوترونات إلى عدد البروتونات في النوى المستقرة تزداد بزيادة العدد الذري. لذلك ، في الأجزاء التي تنشأ أثناء الانشطار ، يتبين أن العدد النسبي للنيوترونات أكبر مما هو مسموح به لنوى الذرات الموجودة في منتصف الجدول الدوري. نتيجة لذلك ، يتم إطلاق العديد من النيوترونات في عملية الانشطار. طاقتهم معاني مختلفة- من عدة ملايين إلكترون فولت إلى صغير جدًا ، قريب من الصفر.
يحدث الانشطار عادة على شكل شظايا تختلف كتلتها بنحو 1.5 مرة. هذه الشظايا مشعة للغاية ، لأنها تحتوي على كمية زائدة من النيوترونات. نتيجة لسلسلة من الأيام المتتالية ، يتم الحصول على النظائر المستقرة في النهاية.
في الختام ، نلاحظ أن هناك أيضًا انشطار تلقائي لنواة اليورانيوم. تم اكتشافه من قبل الفيزيائيين السوفيتيين G.N. Flerov و K. هذا أطول بمليوني مرة من عمر النصف لاضمحلال اليورانيوم.
يترافق تفاعل الانشطار النووي مع إطلاق الطاقة.
محتوى الدرس ملخص الدرسدعم إطار عرض الدرس بأساليب متسارعة تقنيات تفاعلية يمارس مهام وتمارين امتحان ذاتي ورش عمل ، تدريبات ، حالات ، أسئلة ، واجبات منزلية ، أسئلة مناقشة أسئلة بلاغية من الطلاب الرسوم التوضيحية مقاطع الصوت والفيديو والوسائط المتعددةصور فوتوغرافية ، صور رسومات ، جداول ، مخططات فكاهة ، نوادر ، نكت ، أمثال كاريكاتورية ، أقوال ، ألغاز كلمات متقاطعة ، اقتباسات الإضافات الملخصاترقائق المقالات لأوراق الغش الفضولي والكتب المدرسية الأساسية والإضافية معجم مصطلحات أخرى تحسين الكتب المدرسية والدروستصحيح الأخطاء في الكتاب المدرسيتحديث جزء في الكتاب المدرسي من عناصر الابتكار في الدرس واستبدال المعرفة القديمة بأخرى جديدة فقط للمعلمين دروس مثالية خطة التقويملسنة القواعد الارشاديةبرامج المناقشة دروس متكاملةيحدث انشطار نوى اليورانيوم بالطريقة الآتية:أولاً ، يصطدم نيوترون بالنواة ، مثل رصاصة في تفاحة. في حالة التفاحة ، كانت الرصاصة ستحدث ثقبًا فيها ، أو ستفجرها إلى أشلاء. عندما يدخل نيوترون إلى النواة ، يتم الاستيلاء عليه من قبل القوى النووية. من المعروف أن النيوترون محايد ، لذلك لا يتم صده بالقوى الكهروستاتيكية.
كيف يحدث انشطار اليورانيوم؟
لذلك ، بعد دخوله في تكوين النواة ، يكسر النيوترون التوازن ، وتكون النواة متحمسة. يمتد إلى الجانبين مثل الدمبل أو علامة اللانهاية: ∞ . تعمل القوى النووية ، كما هو معروف ، على مسافة تتناسب مع حجم الجسيمات. عندما يتم شد النواة ، يصبح عمل القوى النووية غير مهم بالنسبة للجسيمات المتطرفة لـ "الدمبل" ، بينما تعمل القوى الكهربائية بقوة كبيرة في مثل هذه المسافة ، وتنقسم النواة ببساطة إلى جزأين. في هذه الحالة ، ينبعث أيضًا نيوترونان أو ثلاثة.
شظايا من النواة والنيوترونات المنبعثة تتطاير بسرعة كبيرة في الداخل جوانب مختلفة. الشظايا تتباطأ بسرعة كبيرة بيئة، لكن طاقتهم الحركية هائلة. يتحول إلى الطاقة الداخليةبيئة ساخنة. في هذه الحالة ، كمية الطاقة المنبعثة هائلة. الطاقة التي يتم الحصول عليها من الانشطار الكامل لجرام واحد من اليورانيوم تساوي تقريبًا الطاقة التي يتم الحصول عليها من حرق 2.5 طن من النفط.
تفاعل متسلسل لانشطار عدة نوى
لقد درسنا انشطار نواة يورانيوم واحدة. أثناء الانشطار ، تم إطلاق عدة نيوترونات (غالبًا اثنان أو ثلاثة). إنها تنتشر على الجانبين بسرعة كبيرة ويمكنها بسهولة الوصول إلى نوى الذرات الأخرى ، مما يتسبب في تفاعل انشطارى فيها. هذا هو رد الفعل المتسلسل.
أي أن النيوترونات الناتجة عن الانشطار النووي تثير وتجبر النوى الأخرى على الانشطار ، والتي بدورها تطلق نيوترونات تستمر في تحفيز المزيد من الانشطار. وهكذا حتى يحدث انشطار جميع نوى اليورانيوم في الجوار المباشر.
في هذه الحالة ، يمكن أن يحدث تفاعل متسلسل مثل الانهيار الجليدي، على سبيل المثال ، في حالة حدوث انفجار قنبلة ذرية. يزيد عدد الانشطار النووي في المتوالية الهندسيةلفترة قصيرة من الزمن. ومع ذلك ، يمكن أن يحدث تفاعل متسلسل مع التخميد.
الحقيقة هي أنه لا تلتقي جميع النيوترونات بنوى في طريقها ، مما يؤدي إلى الانشطار. كما نتذكر ، داخل المادة يشغل الفراغ بين الجسيمات الحجم الرئيسي. لذلك ، تطير بعض النيوترونات عبر كل المادة دون أن تصطدم بأي شيء على طول الطريق. وإذا انخفض عدد الانشطار النووي بمرور الوقت ، فإن التفاعل يتلاشى تدريجياً.
التفاعلات النووية والكتلة الحرجة لليورانيوم
ما الذي يحدد نوع رد الفعل؟من كتلة اليورانيوم. كلما كانت الكتلة أكبر ، كلما زاد عدد الجسيمات التي يلتقي بها النيوترون الطائر في طريقه ولديه فرص أكبر للوصول إلى النواة. لذلك ، يتم تمييز "الكتلة الحرجة" من اليورانيوم - وهذا هو الحد الأدنى من الكتلة التي يمكن عندها التفاعل المتسلسل.
سيكون عدد النيوترونات المتكونة مساويًا لعدد النيوترونات التي خرجت. وسيستمر التفاعل بنفس المعدل تقريبًا حتى يتم إنتاج الحجم الكامل للمادة. يستخدم هذا في الممارسة ل محطات الطاقة النوويةويسمى تفاعلًا نوويًا مضبوطًا.
