Яагаад ураны цөм хуваагдах боломжтой вэ? Ураны цөмийн задрал

З 2 /А нэмэгдэх тусам задралын үед ялгарах энерги Е нэмэгддэг. 89 Y (итриум)-ийн хувьд Z 2 /A = 17-ийн утга. Тэдгээр. хуваагдал нь иттриумаас илүү хүнд бүх цөмд энергийн хувьд таатай байдаг. Яагаад ихэнх цөмүүд аяндаа задрахад тэсвэртэй байдаг вэ? Энэ асуултад хариулахын тулд хуваах механизмыг авч үзэх шаардлагатай.

Хуваалтын үед цөмийн хэлбэр өөрчлөгддөг. Цөм нь дараах үе шатуудыг дараалан дамждаг (Зураг 7.1): бөмбөг, эллипсоид, дамббелл, лийр хэлбэртэй хоёр хэлтэрхий, хоёр бөмбөрцөг хэлтэрхий. Цөмийн потенциал энерги хуваагдлын янз бүрийн үе шатанд хэрхэн өөрчлөгддөг вэ?
Томруулсан анхны цөм rхувьсгалын улам сунасан эллипсоид хэлбэрийг авдаг. Энэ тохиолдолд цөмийн хэлбэрийн хувьслын улмаас түүний потенциал энергийн өөрчлөлт нь гадаргуугийн болон Кулоны энергийн нийлбэрийн өөрчлөлтөөр тодорхойлогддог E p + E k. Энэ тохиолдолд гадаргуугийн энерги нэмэгдэж, цөмийн гадаргуугийн хэмжээ ихсэх тул. Протон хоорондын дундаж зай ихсэх тусам Кулоны энерги буурдаг. Хэрэв жижиг параметрээр тодорхойлогддог бага зэргийн хэв гажилттай бол анхны цөм нь тэнхлэгт тэгш хэмтэй эллипсоид хэлбэртэй байвал деформацийн параметрийн функц болох гадаргуугийн энерги E" p ба Кулоны энерги E" k дараах байдлаар өөрчлөгдөнө.

Харьцаагаар (7.4–7.5) Э n ба Э k нь анхны бөмбөрцөг тэгш хэмтэй цөмийн гадаргуу ба Кулоны энерги юм.
Хүнд цөмийн бүсэд 2E n > Ek, гадаргуугийн болон Кулоны энергийн нийлбэр нь нэмэгдэх тусам нэмэгддэг. (7.4) ба (7.5)-аас харахад жижиг хэв гажилтын үед гадаргуугийн энерги нэмэгдэх нь цөмийн хэлбэр өөрчлөгдөх, улмаар хуваагдахаас сэргийлдэг.
(7.5) хамаарал нь жижиг омгийн хувьд хүчинтэй. Хэрэв деформаци нь маш их бол цөм нь дамббелл хэлбэртэй байвал гадаргуу ба Кулоны хүч нь цөмийг салгаж, хэлтэрхийнүүд нь бөмбөрцөг хэлбэртэй болдог. Ийнхүү цөмийн деформаци аажмаар нэмэгдэхийн хэрээр түүний боломжит энерги нь дээд зэргээр дамждаг. r-ээс хамаарах цөмийн гадаргын болон Кулоны энергийн графикийг Зураг дээр үзүүлэв. 7.2.

Боломжит саад бэрхшээл байгаа нь цөмийн аяндаа хуваагдахаас сэргийлдэг. Цөмийг задлахын тулд түүнд хуваагдах саадын H-ийн өндрөөс давсан Q энерги өгөх шаардлагатай. Хоёр ижил хэсгүүдэд хуваагддаг E + H (жишээлбэл, алт) цөмийн хамгийн их потенциал энерги нь ≈ 173 МэВ байна. , мөн задралын үед ялгарах энерги Е нь 132 МэВ байна. Ийнхүү алтны цөмийн задралын үед 40 МэВ орчим өндөртэй боломжит саадыг даван туулах шаардлагатай болдог.
H хуваагдах саадын өндөр нь их байх тусам анхны цөм дэх Кулон ба гадаргуугийн энерги E ба /E p харьцаа бага байна. Энэ харьцаа нь эргээд Z 2 /A (7.3) хуваах параметрийн өсөлтөөр нэмэгддэг. З нь А-тай пропорциональ гэсэн таамаглалын дагуу хуваагдлын параметр нь массын тоо нэмэгдэх тусам нэмэгддэг тул цөм хүнд байх тусам хуваагдлын саадны H өндөр бага байх болно.

Тиймээс цөмийн задралыг бий болгохын тулд хүнд цөмүүдийг ерөнхийдөө бага эрчим хүчээр хангах шаардлагатай байдаг.
2E p – Ec = 0 (7.5) үед хуваагдлын саадын өндөр алга болно. Энэ тохиолдолд

2E p / E k \u003d 2 (a 2 A) / (a ​​3 Z 2),

Z 2 /A \u003d 2a 2 / (a ​​3 Z 2) ≈ 49.

Ийнхүү дусал загварын дагуу Z 2 /A > 49-тэй цөмүүд байгальд байх боломжгүй, учир нь тэдгээр нь 10-22 секундын тодорхой цөмийн хугацааны дотор аяндаа хоёр хэсэг болж хуваагдах ёстой. H боломжит саад тотгорын хэлбэр ба өндөр, түүнчлэн задралын энерги Z 2 /A параметрийн утгаас хамаарлыг Зураг дээр үзүүлэв. 7.3.

Цагаан будаа. 7.3. Z 2 /A параметрийн янз бүрийн утгуудад боломжит саад тотгорын хэлбэр ба өндрийн радиаль хамаарал ба хуваагдлын энерги E. E p + E k-ийн утгыг босоо тэнхлэгт зурна.

Z 2 /A-тай аяндаа цөмийн задрал< 49, для которых высота барьера H не равна нулю, с точки зрения классической физики невозможно. Однако в квантовой механике такое деление возможно за счет туннельного эффекта – прохождения осколков деления через потенциальный барьер. Оно носит название спонтанного деления. Вероятность спонтанного деления растет с увеличением параметра деления Z 2 /A, т. е. с уменьшением высоты барьера деления. В целом период спонтанного деления уменьшается при переходе от менее тяжелых ядер к более тяжелым от T 1/2 >10 21 жил 232 Th-аас 0.3 секундэд 260 Rf.
Z 2 /A-тай цөмийн албадан задрал< 49 может быть вызвано их возбуждением фотонами, нейтронами, протонами, дейтронами, a частицами и другими частицами, если вносимая в ядро энергия достаточна для преодоления барьера деления.
Нейтроныг барих явцад үүссэн нийлмэл цөмийн Е* өдөөх энергийн хамгийн бага утга нь энэ цөм дэх нейтроныг холбох энергитэй тэнцүү ε n . Хүснэгт 7.1-д нейтроныг барьж авсны дараа үүссэн Th, U, Pu изотопуудын саадын өндөр H ба нейтрон холбох энерги ε n-ийг харьцуулсан болно. Нейтроныг холбох энерги нь цөм дэх нейтроны тооноос хамаарна. Хосолсон энергийн улмаас тэгш нейтроны холболтын энерги нь сондгой нейтроны холболтын энергиээс их байдаг.

Хүснэгт 7.1

Хуваалтын саадны өндөр H, нейтроныг холбох энерги ε n

Хагарлын нэг онцлог шинж чанар нь фрагментууд нь дүрмээр бол өөр өөр масстай байдаг. 235 U-ийн хамгийн их магадлалтай хуваагдлын хувьд фрагментийн массын харьцаа дунджаар ~1.5 байна. 235 U хуваагдлын хэсгүүдийн дулааны нейтроны массын тархалтыг Зураг дээр үзүүлэв. 7.4. Хамгийн их магадлалтай хуваагдлын хувьд хүнд фрагмент массын тоо нь 139, хөнгөн нь - 95. Хуваалтын бүтээгдэхүүнүүдийн дунд A = 72 - 161 ба Z = 30 - 65 хэсгүүд байдаг. Хоёр фрагментэд хуваагдах магадлал тэнцүү масс нь тэгтэй тэнцүү биш юм. Дулааны нейтроноор 235 U-ийн хуваагдлын үед тэгш хэмтэй хуваагдлын магадлал нь A = 139 ба 95 гэсэн хэсгүүдэд хуваагдах магадлалаас ойролцоогоор 3 дахин бага байна.
Тэгш бус хуваагдлыг цөмийн бүрхүүлийн бүтцээр тайлбарладаг. Цөм нь хуваагдах хандлагатай байдаг тул фрагмент бүрийн нуклонуудын гол хэсэг нь хамгийн тогтвортой ид шидийн цөмийг бүрдүүлдэг.
235 U цөм дэх нейтроны тоог протоны тоонд харьцуулсан харьцаа N/Z = 1.55 бол массын тоо нь фрагментийн масстай ойролцоо тогтвортой изотопуудын хувьд энэ харьцаа 1.25 − 1.45 байна. Үүний үр дүнд хуваагдлын хэсгүүд нь нейтроноор хэт их ачаалалтай болж хувирдаг.
β - цацраг идэвхт. Тиймээс хуваагдлын хэсгүүд дараалсан β - задралд ордог бөгөөд анхдагч фрагментийн цэнэг 4 - 6 нэгжээр өөрчлөгдөж болно. Доорх нь 235 U-ийн задралын явцад үүссэн хэсгүүдийн нэг болох 97 Kr цацраг идэвхт задралын онцлог гинж юм.

Тогтвортой цөмүүдийн шинж чанар болох протон ба нейтроны тооны харьцааг зөрчсөний улмаас үүссэн хэсгүүдийн өдөөлт нь хурдан хуваагдах нейтрон ялгарснаас болж арилдаг. Эдгээр нейтронууд нь 10-14 секундээс бага хугацаанд хөдөлж буй хэлтэрхийнүүдээр ялгардаг. Дунджаар задралын үйл явдал бүрт 2-3 шуурхай нейтрон ялгардаг. Тэдний энергийн спектр нь хамгийн ихдээ 1 МэВ орчим үргэлжилдэг. Шуурхай нейтроны дундаж энерги нь 2 МэВ-тэй ойролцоо байна. Явах үйл явдал бүрт нэгээс илүү нейтрон ялгарах нь цөмийн задралын гинжин урвалаар эрчим хүч авах боломжтой болгодог.
Дулааны нейтроны 235 U-ийн хамгийн их магадлалтай хуваагдлын үед гэрлийн хэсэг (A = 95) ≈ 100 МэВ кинетик энергийг олж авдаг бол хүнд (A = 139) 67 МэВ орчим авдаг. Ийнхүү фрагментуудын нийт кинетик энерги ≈ 167 МэВ байна. Энэ тохиолдолд задралын нийт энерги 200 МэВ байна. Тиймээс үлдсэн энерги (33 МэВ) нь хуваагдлын бусад бүтээгдэхүүнд (нейтрон, электрон ба антинейтрино β - фрагментийн задрал, фрагментийн γ-цацраг ба тэдгээрийн задралын бүтээгдэхүүн) хуваарилагдана. Дулааны нейтроноор 235 U-ийн задралын үед өөр өөр бүтээгдэхүүнүүдийн хуваагдлын энергийн хуваарилалтыг Хүснэгт 7.2-т үзүүлэв.

Хүснэгт 7.2

Хуваалтын энергийн хуваарилалт 235 U дулааны нейтронууд

Цөмийн задралын бүтээгдэхүүн (NFs) нь 36 элементийн 200 гаруй цацраг идэвхт изотопуудын (цайрыгаас гадолиниум хүртэл) цогц хольц юм. Ихэнх үйл ажиллагаа нь богино хугацааны радионуклидуудаас бүрддэг. Ийнхүү дэлбэрэлтээс хойш 7, 49, 343 хоногийн дараа PND-ийн идэвхжил нь дэлбэрснээс хойш нэг цагийн дараа идэвхжсэнтэй харьцуулахад 10, 100, 1000 дахин буурдаг. Биологийн хувьд хамгийн чухал радионуклидын гарцыг 7.3-р хүснэгтэд үзүүлэв. Цацраг идэвхт бохирдол нь PND-ээс гадна өдөөгдсөн идэвхжилтэй радионуклид (3 H, 14 C, 28 Al, 24 Na, 56 Mn, 59 Fe, 60 Co гэх мэт) болон уран, плутонийн хуваагдаагүй хэсгээс үүсдэг. Термоядролын дэлбэрэлтэд өдөөгдсөн үйл ажиллагааны үүрэг онцгой их байдаг.

Хүснэгт 7.3

Цөмийн дэлбэрэлтийн үед задралын зарим бүтээгдэхүүн ялгарах

Агаар мандалд цөмийн дэлбэрэлтийн үед хур тунадасны нэлээд хэсэг (газар дээрх дэлбэрэлтийн 50% хүртэл) туршилтын талбайн ойролцоо унадаг. Цацраг идэвхт бодисын нэг хэсэг нь агаар мандлын доод хэсэгт хадгалагдаж, салхины нөлөөгөөр хол зайд хөдөлж, ойролцоогоор ижил өргөрөгт үлддэг. Агаарт нэг сар орчим байх үед цацраг идэвхт бодисууд аажмаар дэлхий рүү унадаг. Радионуклидуудын ихэнх хэсэг нь давхрага мандалд (10÷15 км-ийн өндөрт) хаягдаж, дэлхийн хэмжээнд тархаж, үндсэндээ ялзардаг.
Цөмийн реакторын дизайны янз бүрийн элементүүд нь хэдэн арван жилийн турш өндөр идэвхжилтэй байдаг (Хүснэгт 7.4)

Хүснэгт 7.4

Гурван жил ажилласны дараа реактороос зайлуулсан түлшний элементүүд дэх задралын үндсэн бүтээгдэхүүний үйл ажиллагааны тодорхой утга (Бк/т уран)

Цөмийн гинжин урвал. Ураны нейтроны цацрагийн туршилтын үр дүнд нейтроны нөлөөн дор ураны цөм нь ойролцоогоор хагас масс, цэнэгийн хоёр цөмд (фрагмент) хуваагддаг болохыг тогтоожээ; энэ процесс нь хэд хэдэн (хоёр эсвэл гурван) нейтроны ялгаралт дагалддаг (Зураг 402). Уранаас гадна Менделеевийн үечилсэн системийн сүүлчийн элементүүдээс хэд хэдэн элементүүд хуваагдах чадвартай байдаг. Уран шиг эдгээр элементүүд нь зөвхөн нейтроны нөлөөн дор хуваагддаг төдийгүй гадны нөлөөлөлгүйгээр (аяндаа) хуваагддаг. Аяндаа хуваагдлыг 1940 онд Зөвлөлтийн физикч К.А.Петржак, Георгий Николаевич Флеров (1913 онд төрсөн) нар туршилтаар тогтоожээ. Энэ нь маш ховор тохиолддог үйл явц юм. Тиймээс 1 г уранд цагт ердөө 20 орчим аяндаа хуваагдал үүсдэг.

Цагаан будаа. 402. Нейтроны нөлөөгөөр ураны цөмийн хуваагдал: а) цөм нь нейтроныг барьж авдаг; б) нейтроны цөмд үзүүлэх нөлөө нь сүүлийнх нь хэлбэлзэхэд хүргэдэг; в) цөм нь хоёр хэлтэрхийд хуваагдана; илүү их нейтрон ялгардаг.

Харилцан цахилгаан статик түлхэлтийн улмаас хуваагдлын хэсгүүд эсрэг чиглэлд тархаж, асар их кинетик энергийг олж авдаг (ойролцоогоор). Ийнхүү хуваагдах урвал нь их хэмжээний энерги ялгарснаар үүсдэг. Хурдан хөдөлж буй хэсгүүд нь орчны атомуудыг эрчимтэй ионжуулдаг. Фрагментийн энэ шинж чанарыг иончлолын камер эсвэл үүлний камер ашиглан задралын процессыг илрүүлэхэд ашигладаг. Үүлний камер дахь хуваагдлын хэсгүүдийн ул мөрийн зургийг Зураг дээр үзүүлэв. 403. Ураны цөмийн задралын үед ялгардаг нейтронууд (хоёрдогч хуваагдлын нейтрон гэж нэрлэгддэг) нь ураны шинэ цөмүүдийг задлах чадвартай байдаг нь туйлын чухал юм. Үүний ачаар задралын гинжин урвалыг хийх боломжтой: нэг удаа үүссэний дараа урвал нь зарчмын хувьд улам бүр нэмэгдэж буй бөөмийг хамарч өөрөө үргэлжлэх боломжтой. Ийм өсөн нэмэгдэж буй целлоны урвалын хөгжлийн схемийг Зураг дээр үзүүлэв. 404.

Цагаан будаа. 403. Үүлний камер дахь ураны задралын хэсгүүдийн ул мөрийн зураг: тасалгааг хаасан хавтан дээр тавьсан ураны нимгэн давхаргаас () нь эсрэг чиглэлд тархаж байна. Зураг дээр мөн камерт агуулагдах усны машины молекулуудаас нейтроноор таслагдсан протонуудад хамаарах олон нимгэн ул мөр харагдаж байна.

Практикт хуваагдлын гинжин урвал явуулах нь тийм ч хялбар биш юм; Туршлагаас харахад байгалийн ураны массад гинжин урвал явагддаггүй. Үүний шалтгаан нь хоёрдогч нейтроны алдагдалд оршдог; Байгалийн уран дахь нейтронуудын ихэнх нь задрал үүсгэхгүйгээр тоглоомоос гардаг. Судалгаанаас харахад нейтроны алдагдал нь ураны хамгийн түгээмэл изотоп болох уран - 238 () -д тохиолддог. Энэ изотоп нь мөнгөний нейтронтой урвалд орохтой төстэй урвалаар нейтроныг амархан шингээдэг (§ 222-ыг үзнэ үү); Энэ нь хиймэл цацраг идэвхт изотопыг үүсгэдэг. Энэ нь маш хэцүү бөгөөд зөвхөн хурдан нейтронуудын нөлөөн дор хуваагддаг.

Байгалийн уранд тодорхой хэмжээгээр агуулагддаг изотоп нь гинжин урвалын хувьд илүү амжилттай шинж чанартай байдаг. Энэ нь ямар ч энергийн нейтроны үйл ажиллагааны дор хуваагддаг - хурдан ба удаан, сайн байх тусам нейтроны энерги бага байдаг. Явах үйл явц - нейтроныг энгийн шингээх процесс нь үүнээс ялгаатай байх магадлал багатай юм. Тиймээс уран-235-ын масс хангалттай том бол цэвэр уран-235-д задралын гинжин урвал явагдах боломжтой. Бага масстай уранд түүний материйн гаднах хоёрдогч нейтрон ялгарснаас болж задралын урвал зогсдог.

Цагаан будаа. 404. Үнэ цэнэтэй задралын урвалын хөгжил: Цөмийн задралын үед хоёр нейтрон ялгардаг бөгөөд нейтроны алдагдал байхгүй гэдгийг болзолтоор хүлээн зөвшөөрдөг. нейтрон бүр шинэ хуваагдлыг үүсгэдэг; тойрог - хуваагдлын хэсгүүд, сумнууд - хуваагдлын нейтронууд

Үнэн хэрэгтээ, атомын цөм нь өчүүхэн хэмжээтэй тул нейтрон нь цөмд санамсаргүй цохилт өгөхөөс өмнө материйн дотор маш хол зайд (сантиметрээр хэмжигддэг) явдаг. Хэрэв биеийн хэмжээ бага бол гарц руу явах замд мөргөлдөх магадлал бага байна. Бараг бүх хоёрдогч хуваагдлын нейтронууд шинэ хуваагдал үүсгэхгүйгээр, өөрөөр хэлбэл урвалыг үргэлжлүүлэхгүйгээр биеийн гадаргуугаар дамжин нисдэг.

Том хэмжээтэй биеэс голчлон гадаргуугийн давхаргад үүсдэг нейтронууд гарч ирдэг. Биеийн дотор үүссэн нейтронууд урд талдаа хангалттай зузаан урантай байдаг ба ихэнх тохиолдолд урвалыг үргэлжлүүлж, шинэ хуваагдлыг үүсгэдэг (Зураг 405). Ураны масс их байх тусам эзэлхүүний хэсэг нь гадаргуугийн давхарга бөгөөд үүнээс олон нейтрон алдагдаж, гинжин урвал үүсэх таатай нөхцөл бүрддэг.

Цагаан будаа. 405. -д хуваагдах гинжин урвалын хөгжил. a) Жижиг масстай ихэнх хуваагдлын нейтронууд нисдэг. б) Их хэмжээний ураны хувьд олон тооны задралын нейтронууд нь шинэ цөмийн задралыг үүсгэдэг; хэлтсийн тоо үеэс үед нэмэгддэг. Тойрог - хуваагдлын хэсгүүд, сумнууд - хуваагдлын нейтронууд

Хэмжээг аажмаар нэмэгдүүлснээр бид эгзэгтэй масс буюу хамгийн бага массад хүрэх бөгөөд үүнээс эхлэн тасралтгүй хуваагдлын гинжин урвал явагдах боломжтой болно. Массын цаашдын өсөлтөөр урвал хурдацтай хөгжиж эхэлнэ (энэ нь аяндаа хуваагдлаар эхэлнэ). Масс нь эгзэгтэй утгаас багасах үед урвал задардаг.

Тиймээс та хуваагдлын гинжин урвалыг хийж болно. Хэрэв танд хангалттай цэвэр , тусгаарлагдсан .

Бид §202-т үзсэнчлэн изотопыг салгах нь нарийн төвөгтэй бөгөөд өндөр өртөгтэй үйл ажиллагаа боловч энэ нь боломжтой хэвээр байна. Үнэхээр байгалийн уранаас олборлох нь задралын гинжин урвалыг хэрэгжүүлэх арга замуудын нэг байсан юм.

Үүний зэрэгцээ гинжин урвал нь ураны изотопуудыг салгах шаардлагагүй өөр аргаар явагдсан. Энэ арга нь зарчмын хувьд арай илүү төвөгтэй боловч хэрэгжүүлэхэд хялбар байдаг. Энэ нь хурдан хоёрдогч хуваагдлын нейтроныг дулааны хөдөлгөөний хурд хүртэл удаашруулдаг. Байгалийн уранд шууд хоёрдогч нейтронууд голчлон изотопоор шингэдэг болохыг бид харсан. Шингээх нь задралд хүргэдэггүй тул урвал зогсдог. Хэмжилтээс харахад нейтроныг дулааны хурд хүртэл удаашруулахад шингээх чадвар нь шингээх чадвараас илүү нэмэгддэг. Нейтроныг изотопоор шингээж, хуваагдахад хүргэдэг. Тиймээс, хуваагдах нейтроныг удаашруулж, тэдгээрийг шингээхээс сэргийлж чадвал байгалийн урантай гинжин урвал явагдах боломжтой болно.

Цагаан будаа. 406. Байгалийн ураны систем ба задралын гинжин урвал үүсч болох зохицуулагч.

Практикт энэ үр дүнд байгалийн ураны яндангийн саваа ховор тор хэлбэрээр модераторт байрлуулснаар хүрдэг (Зураг 406). Бага атомын масстай, сул шингээгч нейтронтой бодисыг зохицуулагч болгон ашигладаг. Сайн зохицуулагч нь бал чулуу, хүнд ус, берилли юм.

Ураны цөмийн задрал нэг саваа дотор яваг. Саваа нь харьцангуй нимгэн тул хурдан хоёрдогч нейтронууд бараг бүхэлдээ зохицуулагч руу ниснэ. Саваа нь торонд маш ховор байрладаг. Шинэ савааг цохихоос өмнө ялгарсан нейтрон нь зохицуулагчийн цөмтэй олон мөргөлдөөнийг мэдэрч, дулааны хөдөлгөөний хурд хүртэл удааширдаг (Зураг 407). Дараа нь ураны савааг цохиход нейтрон шингэж, шинэ хуваагдлыг үүсгэж, улмаар урвалыг үргэлжлүүлнэ. Анх 1942 онд АНУ-д задралын гинжин урвал явагдсан. Италийн физикч Энрико Ферми (1901-1954) тэргүүтэй хэсэг эрдэмтэд байгалийн урантай системд . Энэ үйл явцыг 1946 онд ЗХУ-д бие даан хэрэгжүүлсэн. Академич Игорь Васильевич Курчатов (1903-1960) ажилчдын хамт.

Цагаан будаа. 407. Байгалийн уран ба зохицуулагчийн систем дэх үнэ цэнэтэй задралын урвалыг боловсруулах. Нимгэн саваагаар нисч буй хурдан нейтрон зохицуулагчийг цохиж, удаашруулна. Уран дахь удаашруулсан нейтрон дахин шингэж, хуваагдал үүсгэдэг (тэмдэг: хоёр цагаан тойрог). Зарим нейтронууд хуваагдал үүсгэхгүйгээр шингэдэг (тэмдэг: хар тойрог)

Анги

Хичээл №42-43

Ураны цөмийн задралын гинжин урвал. Цөмийн энерги ба экологи. Цацраг идэвхжил. Хагас амьдрал.

Цөмийн урвал

Цөмийн урвал гэдэг нь атомын цөм өөр цөм эсвэл элементар бөөмтэй харилцан үйлчлэх үйл явц бөгөөд цөмийн бүтэц, бүтцийн өөрчлөлт, хоёрдогч бөөмс буюу γ-квант ялгарах үйл явц юм.

Цөмийн урвалын үр дүнд байгалийн нөхцөлд дэлхий дээр байдаггүй шинэ цацраг идэвхт изотопууд үүсч болно.

Анхны цөмийн урвалыг 1919 онд Э.Рутерфорд цөмийн задралын бүтээгдэхүүн дэх протоныг илрүүлэх туршилтаар хийсэн (§ 9.5-ыг үзнэ үү). Рутерфорд азотын атомуудыг альфа тоосонцороор бөмбөгдөв. Бөөмүүд мөргөлдөх үед цөмийн урвал үүсч, дараах схемийн дагуу явав.

Цөмийн урвалын үед хэд хэдэн хамгааллын хуулиуд: импульс, энерги, өнцгийн импульс, цэнэг. Цөмийн урвалд эдгээр хамгааллын сонгодог хуулиас гадна хамгааллын хууль гэж нэрлэгддэг хууль үйлчилдэг. барион цэнэг(өөрөөр хэлбэл нуклонуудын тоо - протон ба нейтрон). Цөмийн физик болон энгийн бөөмсийн физикт хамаарах бусад хэд хэдэн хадгалалтын хуулиуд бас мөрдөгдөж байна.

Атомыг хурдан цэнэглэгдсэн тоосонцор (протон, нейтрон, α-бөөм, ион) бөмбөгдөх үед цөмийн урвал явагдаж болно. Энэ төрлийн анхны урвалыг 1932 онд хурдасгуур дээр олж авсан өндөр энергитэй протонуудыг ашиглан хийсэн.

Энд M A ба M B нь анхны бүтээгдэхүүний масс, M C ба M D нь эцсийн урвалын бүтээгдэхүүний масс юм. ΔM утгыг дуудна массын согог. Цөмийн урвал нь ялгарах (Q > 0) эсвэл энерги шингээх (Q< 0). Во втором случае первоначальная кинетическая энергия исходных продуктов должна превышать величину |Q|, которая называется порогом реакции.

Цөмийн урвал эерэг энергийн гарцтай байхын тулд тусгай холбох энергиЭхний бүтээгдэхүүний цөм дэх нуклонууд нь эцсийн бүтээгдэхүүний цөм дэх нуклонуудын тусгай холболтын энергиээс бага байх ёстой. Энэ нь ΔM эерэг байх ёстой гэсэн үг юм.

Цөмийн энергийг гаргах үндсэн хоёр арга бий.

1. Хүнд цөмийн хуваагдал. Цөмийн цацраг идэвхт задралаас ялгаатай нь α- эсвэл β-бөөмүүдийн ялгаралт дагалддаг, хуваагдлын урвал нь тогтворгүй цөмийг харьцуулж болохуйц масстай хоёр том хэсгүүдэд хуваах үйл явц юм.

1939 онд Германы эрдэмтэн О.Хан, Ф.Штрасман нар ураны цөмийн задралыг нээжээ. Фермигийн эхлүүлсэн судалгааг үргэлжлүүлэн тэд ураныг нейтроноор бөмбөгдөх үед үечилсэн системийн дунд хэсгийн элементүүд - барийн цацраг идэвхт изотопууд (Z = 56), криптон (Z = 36) гэх мэт үүсдэг болохыг тогтоожээ.

Уран нь байгальд (99.3%) ба (0.7%) хоёр изотоп хэлбэрээр байдаг. Нейтроноор бөмбөгдөхөд хоёр изотопын цөм хоёр хуваагдаж болно. Энэ тохиолдолд задралын урвал удаан (дулааны) нейтронуудтай хамгийн эрчимтэй явагддаг бол цөмүүд нь зөвхөн 1 МэВ-ийн энергитэй хурдан нейтронуудтай хуваагдах урвалд ордог.

Цөмийн хуваагдал нь цөмийн эрчим хүчний инженерчлэлийн гол сонирхол юм.Одоогийн байдлаар энэ цөмийн задралаас 90-145 масстай 100 орчим өөр изотоп үүсдэг нь мэдэгдэж байна. Энэ цөмийн хоёр ердийн хуваагдлын урвал дараах хэлбэртэй байна.

Нейтроны үүсгэсэн цөмийн задралын үр дүнд бусад цөмд хуваагдах урвал үүсгэж болох шинэ нейтронууд үүсдэг болохыг анхаарна уу. Уран-235 цөмийн задралын бүтээгдэхүүн нь бари, ксенон, стронций, рубиди гэх мэт бусад изотопууд байж болно.

Нэг ураны цөмийн задралын үед ялгарах кинетик энерги асар их буюу 200 МэВ орчим байдаг. Цөмийн задралын үед ялгарах энергийг ашиглан тооцоолж болно тусгай холбох энергицөм дэх нуклонууд. А ≈ 240 масстай цөм дэх нуклонуудын тусгай холболтын энерги ойролцоогоор 7.6 МэВ/нуклон байдаг бол массын тоо A = 90-145 цөмд хувийн энерги нь ойролцоогоор 8.5 МэВ/нуклонтой тэнцүү байна. Иймд ураны цөмийн хуваагдал нь 0.9 МэВ/нуклон буюу нэг ураны атом тутамд ойролцоогоор 210 МэВ энерги ялгаруулдаг. 1 г уранд агуулагдах бүх цөмүүд бүрэн задрахад 3 тонн нүүрс буюу 2.5 тонн газрын тос шатаахтай ижил энерги ялгардаг.

Ураны цөмийн задралын бүтээгдэхүүн нь нэлээд их хэмжээний нейтрон агуулдаг тул тогтворгүй байдаг. Үнэн хэрэгтээ хамгийн хүнд цөмд N / Z харьцаа ойролцоогоор 1.6 байна (Зураг 9.6.2), 90-ээс 145 хүртэлх масстай цөмийн хувьд энэ харьцаа 1.3-1.4 орчим байна. Тиймээс фрагментийн цөмүүд дараалсан β - задралыг мэдэрдэг бөгөөд үүний үр дүнд цөм дэх протоны тоо нэмэгдэж, тогтвортой цөм үүсэх хүртэл нейтроны тоо буурдаг.

Нейтронтой мөргөлдсөний улмаас үүссэн уран-235 цөмийн задралд 2 эсвэл 3 нейтрон ялгардаг. Тааламжтай нөхцөлд эдгээр нейтронууд бусад ураны цөмд хүрч, тэдгээрийг задлахад хүргэдэг. Энэ үе шатанд ураны цөмийн шинэ задралыг үүсгэх чадвартай 4-9 нейтрон аль хэдийн гарч ирэх болно. Ийм нуранги шиг үйл явцыг гинжин урвал гэж нэрлэдэг. Хөгжлийн схем гинжин урвалураны цөмийн хуваагдлыг Зураг дээр үзүүлэв. 9.8.1.

Зураг 9.8.1. Гинжин урвалын хөгжлийн схем.

Гинжин урвал үүсэхийн тулд энэ нь зайлшгүй шаардлагатай нейтрон үржүүлэх хүчин зүйлнэгээс их байсан. Өөрөөр хэлбэл, дараагийн үе бүрт өмнөх үеийнхээс илүү олон нейтрон байх ёстой. Үржүүлэх хүчин зүйл нь үндсэн үйл явдал бүрт үүссэн нейтроны тоогоор тодорхойлогддоггүй, мөн урвал явагдах нөхцлөөр тодорхойлогддог - нейтронуудын зарим нь бусад цөмд шингэж эсвэл урвалын бүсийг орхиж болно. Уран-235 цөмийн задралын явцад ялгардаг нейтронууд нь байгалийн ураны ердөө 0.7%-ийг эзэлдэг ижил ураны цөмүүдийг задлахад л хүргэдэг. Энэ концентраци нь гинжин урвалыг эхлүүлэхэд хангалтгүй юм. Изотоп нь нейтроныг шингээх чадвартай боловч гинжин урвал явагддаггүй.

Уран-235-ын өндөр агууламжтай ураны гинжин урвал нь ураны масс гэж нэрлэгддэг хэмжээнээс давсан тохиолдолд л үүсдэг. чухал масс.Ураны жижиг хэсгүүдэд ихэнх нейтронууд ямар ч цөмд тусалгүйгээр нисдэг. Цэвэр уран-235-ын хувьд эгзэгтэй масс нь 50 кг орчим байдаг. Ураны эгзэгтэй массыг олон дахин бууруулж болно зохицуулагчиднейтрон. Ураны цөмийн задралын явцад үүссэн нейтронууд хэт өндөр хурдтай байдаг бөгөөд удаан нейтронуудыг уран-235 цөмд барьж авах магадлал нь хурдан цөмүүдээс хэдэн зуу дахин их байдаг. Хамгийн сайн нейтрон зохицуулагч бол хүнд ус D 2 O. Нейтронтой харилцан үйлчлэхэд энгийн ус өөрөө хүнд ус болж хувирдаг.

Сайн зохицуулагч бол цөм нь нейтроныг шингээдэггүй бал чулуу юм. Дейтерий эсвэл нүүрстөрөгчийн цөмтэй уян харимхай харилцан үйлчлэх үед нейтронууд дулааны хурд хүртэл удааширдаг.

Нейтрон зохицуулагч ба нейтроныг тусгасан бериллийн тусгай бүрхүүлийг ашиглах нь чухал массыг 250 г хүртэл бууруулах боломжтой болгодог.

Атомын бөмбөгөнд эгзэгтэй хэмжээнээс арай бага масстай уран-235-ын хоёр хэсгийг хурдан нийлүүлэхэд хяналтгүй цөмийн гинжин урвал үүсдэг.

Цөмийн задралын урвалыг удирддаг төхөөрөмжийг нэрлэдэг цөмийн(эсвэл атомын) реактор. Удаан нейтрон дээрх цөмийн реакторын схемийг Зураг дээр үзүүлэв. 9.8.2.

Зураг 9.8.2. Цөмийн реакторын төхөөрөмжийн схем.

Цөмийн урвал нь реакторын цөмд явагддаг бөгөөд үүнийг зохицуулагчаар дүүргэж, уран-235 (3% хүртэл) өндөр агууламжтай ураны изотопын баяжуулсан холимог агуулсан саваагаар цоолдог. Кадми эсвэл бор агуулсан хяналтын савааг цөмд оруулдаг бөгөөд энэ нь нейтроныг эрчимтэй шингээдэг. Цөмд саваа оруулах нь гинжин урвалын хурдыг хянах боломжийг танд олгоно.

Гол нь ус эсвэл хайлах температур багатай металл (жишээлбэл, 98 ° C хайлах цэгтэй натри) байж болох шахуургын хөргөлтийн шингэнээр хөргөнө. Уурын генераторт дулаан зөөгч нь дулааны энергийг ус руу шилжүүлж, өндөр даралтын уур болгон хувиргадаг. Уурыг цахилгаан үүсгүүрт холбогдсон турбин руу илгээдэг. Турбинаас уур нь конденсатор руу ордог. Цацрагийн нэвчилтээс зайлсхийхийн тулд хөргөлтийн I болон уурын генератор II-ийн хэлхээ нь хаалттай циклээр ажилладаг.

Атомын цахилгаан станцын турбин нь термодинамикийн хоёрдугаар хуулийн дагуу станцын нийт үр ашгийг тодорхойлдог дулааны хөдөлгүүр юм. Орчин үеийн атомын цахилгаан станцуудын үр ашиг нь ойролцоогоор тэнцүү байна.Тиймээс 1000 МВт цахилгаан эрчим хүч үйлдвэрлэхийн тулд реакторын дулааны хүч 3000 МВт хүрэх ёстой. 2000 МВт-ыг конденсаторыг хөргөх ус зайлуулах ёстой. Энэ нь байгалийн усны биетүүдийн орон нутгийн хэт халалт, улмаар байгаль орчны асуудал үүсэхэд хүргэдэг.

Гэхдээ гол асуудал нь атомын цахилгаан станцад ажиллаж байгаа хүмүүсийн цацрагийн аюулгүй байдлыг бүрэн хангах, реакторын цөмд их хэмжээгээр хуримтлагдсан цацраг идэвхт бодисыг санамсаргүй байдлаар гаргахаас урьдчилан сэргийлэх явдал юм. Цөмийн реакторыг хөгжүүлэхэд энэ асуудалд ихээхэн анхаарал хандуулдаг. Гэсэн хэдий ч зарим атомын цахилгаан станцууд, ялангуяа Пенсильвани дахь атомын цахилгаан станц (АНУ, 1979), Чернобылийн атомын цахилгаан станц (1986) дээр гарсан ослын дараа цөмийн эрчим хүчний аюулгүй байдлын асуудал онцгой хурцаар тавигдаж байна.

Удаан нейтрон дээр ажилладаг дээр дурдсан цөмийн реакторын зэрэгцээ хурдан нейтрон дээр зохицуулагчгүйгээр ажилладаг реакторууд практикт ихээхэн сонирхол татдаг. Ийм реакторуудад цөмийн түлш нь 15%-аас доошгүй изотоп агуулсан баяжуулсан хольц юм.Хурдан нейтрон реакторын давуу тал нь ажиллах явцад нейтроныг шингээх уран-238 цөм дараалсан хоёр β - задралаар плутони болж хувирдагт оршино. Дараа нь цөмийн түлш болгон ашиглаж болох цөм:

Ийм реакторын үржлийн харьцаа 1.5 хүрдэг, өөрөөр хэлбэл 1 кг уран-235-аас 1.5 кг хүртэл плутони авдаг. Уламжлалт реакторууд нь мөн плутони үйлдвэрлэдэг, гэхдээ хамаагүй бага хэмжээгээр.

Анхны цөмийн реакторыг 1942 онд АНУ-д Э.Фермигийн удирдлаган дор байгуулжээ. Манай улсад анхны реакторыг 1946 онд И.В.Курчатовын удирдлаган дор байгуулжээ.

2. термоядролын урвалууд. Цөмийн энергийг гаргах хоёр дахь арга нь хайлуулах урвалтай холбоотой. Хөнгөн цөмүүдийг нэгтгэж, шинэ цөм үүсэх үед их хэмжээний энерги ялгарах ёстой. Үүнийг А массын тооноос тодорхой холбох энергийн хамаарлаас харж болно (Зураг 9.6.1). 60 орчим масстай цөм хүртэл нуклонуудын тусгай холболтын энерги А өсөхөд нэмэгддэг.Иймд А-тай аливаа цөмийн нийлэгжилт< 60 из более легких ядер должен сопровождаться выделением энергии. Общая масса продуктов реакции синтеза будет в этом случае меньше массы первоначальных частиц.

Хөнгөн цөмийн нэгдэх урвалыг нэрлэдэг термоядролын урвал,Учир нь тэдгээр нь зөвхөн маш өндөр температурт урсаж чаддаг. Хоёр цөм нэгдэх урвалд орохын тулд эерэг цэнэгийн цахилгаан түлхэлтийг даван туулах 2·10 -15 м-ийн дарааллын цөмийн хүчний үйл ажиллагааны зайд ойртох ёстой. Үүний тулд молекулуудын дулааны хөдөлгөөний дундаж кинетик энерги нь Кулоны харилцан үйлчлэлийн боломжит энергиэс давах ёстой. Үүний тулд шаардлагатай T температурыг тооцоолсноор 10 8 –10 9 К гэсэн утгыг гаргана. Энэ бол туйлын өндөр температур юм. Энэ температурт бодис нь бүрэн ионжсон төлөвт байгаа бөгөөд үүнийг гэж нэрлэдэг плазм.

Нэг нуклонд ногдох термоядролын урвалд ялгарах энерги нь цөмийн задралын гинжин урвалд ялгарах тусгай энергиэс хэд дахин их байдаг. Жишээлбэл, дейтерий ба тритий цөмийн нэгдэх урвалд

3.5 МэВ/нуклон ялгардаг. Энэ урвалд нийтдээ 17.6 МэВ ялгардаг. Энэ бол хамгийн ирээдүйтэй термоядролын урвалуудын нэг юм.

Хэрэгжилт хяналттай термоядролын урвалуудхүн төрөлхтөнд байгаль орчинд ээлтэй, бараг шавхагдашгүй эрчим хүчний шинэ эх үүсвэрийг өгөх болно. Гэсэн хэдий ч хэт өндөр температурыг олж авах, тэрбум градус хүртэл халсан плазмыг хязгаарлах нь хяналттай термоядролын хайлалтыг хэрэгжүүлэх зам дахь шинжлэх ухаан, техникийн хамгийн хэцүү ажил юм.

Шинжлэх ухаан, технологийн хөгжлийн энэ үе шатанд зөвхөн хяналтгүй нэгдэх урвалустөрөгчийн бөмбөгөнд. Цөмийн нэгдэлд шаардагдах өндөр температурыг энд ердийн уран эсвэл плутонийн бөмбөг дэлбэлэх замаар олж авдаг.

Термоядролын урвалууд нь орчлон ертөнцийн хувьсалд маш чухал үүрэг гүйцэтгэдэг. Нар, оддын цацрагийн энерги нь термоядролын гаралтай байдаг.

Цацраг идэвхжил

Мэдэгдэж буй 2500 атомын цөмийн бараг 90% нь тогтворгүй байдаг. Тогтворгүй цөм нь бөөмс ялгаруулах замаар аяндаа өөр цөмд хувирдаг. Цөмийн энэ шинж чанарыг нэрлэдэг цацраг идэвхт байдал. Том цөмийн хувьд тогтворгүй байдал нь цөмийн хүчний нуклонуудын таталцал ба протонуудын Кулоны түлхэлтийн хоорондох өрсөлдөөнөөс болж тогтворгүй байдал үүсдэг. Цэнэгүүдийн тоо Z > 83, массын тоо A > 209 тогтвортой цөм байхгүй. Харин Z ба А тооноос хамаагүй бага атомын цөм ч мөн цацраг идэвхт болж хувирдаг.Хэрэв цөм нь нейтроноос хамаагүй их протон агуулдаг бол тогтворгүй байдал нь тогтворгүй байдал юм. Кулоны харилцан үйлчлэлийн энерги хэтэрсэнээс үүссэн . Протоны тооноос илүү их хэмжээний нейтрон агуулсан цөмүүд нь нейтроны масс нь протоны массаас их байдаг тул тогтворгүй байдаг. Цөмийн массын өсөлт нь түүний энерги нэмэгдэхэд хүргэдэг.

Цацраг идэвхит үзэгдлийг 1896 онд Францын физикч А.Беккерел нээж, ураны давс нь үл мэдэгдэх цацраг ялгаруулж, гэрэлд тунгалаг бус саадыг нэвтлэн гэрэл зургийн эмульсийг харлуулах шалтгаан болдог. Хоёр жилийн дараа Францын физикч М., П.Кюри нар торийн цацраг идэвхт чанарыг нээж, хоёр шинэ цацраг идэвхт элемент болох полони, радий нээв.

Дараагийн жилүүдэд Э.Рутерфорд болон түүний шавь нар зэрэг олон физикчид цацраг идэвхт цацрагийн мөн чанарыг судлах чиглэлээр ажиллаж байв. Цацраг идэвхт цөм нь эерэг ба сөрөг цэнэгтэй, төвийг сахисан гэсэн гурван төрлийн бөөмс ялгаруулж чаддаг болохыг тогтоожээ. Эдгээр гурван төрлийн цацрагийг α-, β-, γ-цацраг гэж нэрлэдэг. Зураг дээр. 9.7.1-д цацраг идэвхт цацрагийн цогц найрлагыг илрүүлэх боломжтой туршилтын схемийг үзүүлэв. Соронзон талбарт α- ба β-цацрагууд эсрэг чиглэлд, β-цацрагууд илүү их хазайдаг. Соронзон орон дахь γ-туяа огт хазайдаггүй.

Эдгээр гурван төрлийн цацраг идэвхт цацраг нь бие биенээсээ бодисын атомыг ионжуулах чадвар, улмаар нэвтлэх чадвараараа эрс ялгаатай. α-цацраг нь хамгийн бага нэвтрэх чадвартай. Агаарт хэвийн нөхцөлд α-цацраг нь хэдэн см зайд дамждаг. β-цацраг нь бодисоор бага шингэдэг. Тэд хэдэн миллиметр зузаантай хөнгөн цагааны давхаргаар дамжин өнгөрөх чадвартай. γ-цацраг нь 5-10 см зузаантай хар тугалганы давхаргыг нэвтлэх чадвартай тул хамгийн их нэвтрэх чадалтай.

20-р зууны хоёрдугаар арван жилд Э.Рутерфорд атомын цөмийн бүтцийг нээсний дараа цацраг идэвхт бодис нь атомын цөмийн шинж чанар. Судалгаанаас үзэхэд α-цацраг нь α-бөөмүүдийн урсгалыг төлөөлдөг - гелийн цөм, β-цацраг нь электронуудын урсгал, γ-цацраг нь хэт богино долгионы урттай λ богино долгионы цахилгаан соронзон цацраг юм.< 10 –10 м и вследствие этого – ярко выраженными корпускулярными свойствами, то есть является потоком частиц – γ-квантов.

Альфа задрал. Альфа задрал нь Z протон ба нейтроны N тоотой атомын цөмийг Z - 2 протон, N - 2 нейтроны тоог агуулсан өөр (охин) цөм болгон аяндаа хувиргах явдал юм. Энэ тохиолдолд α-бөөм ялгардаг - гелийн атомын цөм. Ийм үйл явцын жишээ нь радийн α задрал юм.

Радын атомын цөмөөс ялгарах альфа тоосонцорыг Рутерфорд хүнд элементийн цөмөөр тараах туршилтанд ашигласан. Соронзон орон дахь траекторийн муруйлтын дагуу хэмжигдэх радиум бөөмийн α задралын үед ялгарах α бөөмийн хурд нь ойролцоогоор 1.5 10 7 м/с, харгалзах кинетик энерги нь ойролцоогоор 7.5 10 -13 байна. J (ойролцоогоор 4. 8 МэВ). Энэ утгыг эцэг эх, охин цөм ба гелийн цөмийн массын мэдэгдэж буй утгуудаас хялбархан тодорхойлж болно. Хэдийгээр хөөгдсөн α бөөмийн хурд асар их боловч энэ нь гэрлийн хурдны дөнгөж 5% хэвээр байгаа тул тооцоололд кинетик энергийн хувьд харьцангуй бус илэрхийллийг ашиглаж болно.

Судалгаанаас үзэхэд цацраг идэвхт бодис нь хэд хэдэн салангид энергийн утгатай α-бөөмүүдийг ялгаруулж чаддаг. Үүнийг цөм нь атомын нэгэн адил өөр өөр өдөөгдсөн төлөвт байж чаддагтай холбон тайлбарлаж байна. α задралын үед охин цөм нь эдгээр өдөөгдсөн төлөвүүдийн аль нэгэнд байж болно. Энэ цөм үндсэн төлөвт шилжих үед γ-квант ялгардаг. Кинетик энергийн хоёр утга бүхий α-бөөмийн ялгаралт бүхий радийн α задралын схемийг Зураг дээр үзүүлэв. 9.7.2.

Тиймээс бөөмийн α задрал нь олон тохиолдолд γ-цацрагаар дагалддаг.

α-задралын онолд цөм дотор хоёр протон, хоёр нейтроноос бүрдэх бүлгүүд, өөрөөр хэлбэл α-бөөмүүд үүсч болно гэж үздэг. Үндсэн цөм нь α-бөөмүүдэд зориулагдсан боломжит сайн, энэ нь хязгаарлагдмал боломжит саад тотгор. Цөм дэх α-бөөмийн энерги нь энэ саадыг даван туулахад хангалтгүй (Зураг 9.7.3). Цөмөөс α-бөөмийг гадагшлуулах нь зөвхөн квант механик үзэгдлийн улмаас л боломжтой юм. туннелийн нөлөө. Квант механикийн үзэж байгаагаар бөөмс боломжит саад дор өнгөрөх магадлал 0 биш юм. Хонгилын үзэгдэл нь магадлалын шинж чанартай байдаг.

Бета задрал.Бета задралын үед цөмөөс электрон ялгардаг. Цөмийн дотор электронууд оршин тогтнох боломжгүй (§ 9.5-ыг үзнэ үү), тэдгээр нь нейтроныг протон болгон хувиргасны үр дүнд β задралын үед үүсдэг. Энэ процесс нь зөвхөн цөм дотор төдийгүй чөлөөт нейтронтой хамт тохиолдож болно. Чөлөөт нейтроны дундаж наслалт 15 минут орчим байдаг. Нейтрон нь протон болон электрон болж задрах үед

Нейтроны задралаас үүссэн протон ба электроны нийт энерги нь нейтроны энергиэс бага байдаг тул энэ процесст энерги хадгалагдах хууль илт зөрчигдөж байгааг хэмжилтүүд харуулав. 1931 онд В.Паули нейтроны задралын үед 0 масс, цэнэгтэй өөр нэг бөөмс ялгарч, энергийн нэг хэсгийг нь авч явдаг гэж санал болгосон. Шинэ бөөмийг нэрлэсэн нейтрино(жижиг нейтрон). Нейтрино дахь цэнэг, масс байхгүй тул энэ бөөмс нь бодисын атомуудтай маш сул харилцан үйлчилдэг тул туршилтаар үүнийг илрүүлэхэд маш хэцүү байдаг. Нейтриногийн ионжуулах чадвар нь маш бага тул агаар дахь иончлолын нэг үйлдэл нь ойролцоогоор 500 км замд унадаг. Энэ бөөмсийг 1953 онд л нээсэн. Одоогоор хэд хэдэн төрлийн нейтрино байдаг нь мэдэгдэж байна. Нейтроны задралын явцад бөөмс үүсдэг бөгөөд үүнийг нэрлэдэг электрон антинейтрино. Үүнийг тэмдгээр тэмдэглэсэн тул нейтрон задрах урвалыг ингэж бичнэ

Үүнтэй төстэй үйл явц нь β задралын үед цөм дотор тохиолддог. Цөмийн нейтроны аль нэгний задралын үр дүнд үүссэн электрон нь гэрлийн хурдаас хэдхэн хувиар ялгаатай байж болох асар хурдтайгаар "эцэг эхийн байшин" (цөм) -ээс шууд гадагшилдаг. Электрон, нейтрино болон охин цөм хоорондын β-задралын үед ялгарах энергийн тархалт санамсаргүй байдаг тул β-электронууд өргөн хүрээнд өөр өөр хурдтай байж болно.

β задралын үед цэнэгийн тоо Z нэгээр нэмэгдэж, А массын тоо өөрчлөгдөөгүй хэвээр байна. Охин цөм нь элементийн изотопуудын аль нэгний цөм болж хувирдаг бөгөөд үелэх систем дэх серийн дугаар нь анхны цөмийн серийн дугаараас нэгээр их байна. β задралын ердийн жишээ бол ураны α задралаас үүссэн торийн изотоныг палладий болгон хувиргах явдал юм.

Гамма задрал. α- ба β-цацраг идэвхит байдлаас ялгаатай нь цөмийн γ-цацраг идэвхит байдал нь цөмийн дотоод бүтцийн өөрчлөлттэй холбоогүй бөгөөд цэнэгийн болон массын тоо өөрчлөгдөхгүй. α ба β задралын аль алинд нь охин цөм нь ямар нэгэн өдөөлттэй байдалд байж, илүүдэл энергитэй байж болно. Цөмийн өдөөгдсөн төлөвөөс үндсэн төлөв рүү шилжих нь нэг буюу хэд хэдэн γ-квантуудын ялгаралт дагалддаг бөгөөд энерги нь хэд хэдэн МэВ хүрч чаддаг.

Цацраг идэвхт задралын хууль. Цацраг идэвхт материалын аливаа дээж нь асар олон тооны цацраг идэвхт атом агуулдаг. Цацраг идэвхт задрал нь санамсаргүй байдлаар явагддаг бөгөөд гадны нөхцөл байдлаас хамаардаггүй тул t хугацаанд задлаагүй цөмийн N(t)-ийн тоо буурах хууль нь цацраг идэвхт задралын үйл явцын статистикийн чухал үзүүлэлт болж чадна.

Муудаагүй бөөмийн N(t) тоо Δt богино хугацаанд ΔN-ээр өөрчлөгдье.< 0. Так как вероятность распада каждого ядра неизменна во времени, что число распадов будет пропорционально количеству ядер N(t) и промежутку времени Δt:

Пропорциональ байдлын коэффициент λ нь Δt = 1 секундын хугацаанд цөмийн задралын магадлал юм. Энэ томьёо нь N(t) функцийн өөрчлөлтийн хурд нь тухайн функцтэй шууд пропорциональ байна гэсэн үг юм.

Энд N 0 нь t = 0 дахь цацраг идэвхт цөмийн анхны тоо. τ = 1 / λ хугацааны туршид задралгүй цөмийн тоо e ≈ 2.7 дахин багасна. τ утгыг дуудна дундаж амьдралын хугацаацацраг идэвхт цөм.

Практикт ашиглахын тулд цацраг идэвхт задралын хуулийг e биш харин 2 дугаарыг суурь болгон өөр хэлбэрээр бичих нь тохиромжтой.

T-ийн утгыг дуудна хагас амьдрал. Т хугацааны туршид цацраг идэвхт цөмийн анхны тооны тал хувь нь задардаг. T ба τ-ийн утгууд нь хамаарлаар холбогддог

Хагас задралын хугацаа нь цацраг идэвхт задралын хурдыг тодорхойлдог гол хэмжигдэхүүн юм. Хагас задралын хугацаа богино байх тусам ялзрал илүү хүчтэй болно. Тиймээс ураны хувьд T ≈ 4.5 тэрбум жил, радий T ≈ 1600 жил байна. Тиймээс радийн идэвхжил нь уранаас хамаагүй өндөр байдаг. Хагас задралын хугацаа нь секундын фракцтай цацраг идэвхт элементүүд байдаг.

Байгалийн нөхцөлд байдаггүй бөгөөд висмутаар төгсдөг Энэ цуврал цацраг идэвхт задралд тохиолддог цөмийн реакторууд.

Цацраг идэвхт бодисын нэгэн сонирхолтой хэрэглээ бол цацраг идэвхт изотопын агууламжаар археологи, геологийн олдворуудыг он цагийг тогтоох арга юм. Хамгийн түгээмэл хэрэглэгддэг арга бол радиокарбон шинжилгээ юм. Сансрын туяанаас үүдэлтэй цөмийн урвалын улмаас агаар мандалд тогтворгүй нүүрстөрөгчийн изотоп үүсдэг. Энэ изотопын багахан хувь нь ердийн тогтвортой изотопын хамт агаарт байдаг.Ургамал болон бусад организмууд агаараас нүүрстөрөгчийг хэрэглэж, хоёр изотопыг агаарт байгаатай ижил хэмжээгээр хуримтлуулдаг. Ургамал үхсэний дараа нүүрстөрөгчийн хэрэглээгээ зогсоож, β задралын үр дүнд тогтворгүй изотоп аажмаар азот болж хувирдаг бөгөөд хагас задралын хугацаа 5730 жил байна. Эртний организмын үлдэгдэл дэх цацраг идэвхт нүүрстөрөгчийн харьцангуй концентрацийг нарийн хэмжсэнээр тэдний үхсэн цагийг тодорхойлох боломжтой.

Бүх төрлийн цацраг идэвхт цацраг (альфа, бета, гамма, нейтрон), түүнчлэн цахилгаан соронзон цацраг (рентген цацраг) нь амьд организмд маш хүчтэй биологийн нөлөө үзүүлдэг бөгөөд энэ нь атом, молекулуудыг өдөөх, ионжуулах үйл явцаас бүрддэг. амьд эсийг бүрдүүлдэг. Ионжуулагч цацрагийн нөлөөн дор нарийн төвөгтэй молекулууд, эсийн бүтэц устаж, улмаар бие махбодид цацрагийн гэмтэл үүсдэг. Тиймээс цацрагийн аливаа эх үүсвэртэй ажиллахдаа цацрагийн бүсэд унах боломжтой хүмүүсийг цацрагаас хамгаалах бүх арга хэмжээг авах шаардлагатай.

Гэсэн хэдий ч хүн ахуйн нөхцөлд ионжуулагч цацрагт өртөж болно. Радон нь идэвхгүй, өнгөгүй, цацраг идэвхт хий нь хүний ​​эрүүл мэндэд ноцтой аюул учруулж болзошгүйг Зураг дээр үзүүлсэн диаграмаас харж болно. 9.7.5, радон нь радийн α задралын бүтээгдэхүүн бөгөөд хагас задралын хугацаа T = 3.82 хоног байна. Ради нь хөрс, чулуу, янз бүрийн барилгын бүтцэд бага хэмжээгээр агуулагддаг. Харьцангуй богино наслах хэдий ч радын бөөмийн шинэ задралын улмаас радонын концентраци тасралтгүй нэмэгддэг тул битүү орон зайд радон хуримтлагддаг. Уушиг руу орохдоо радон нь α-тоосонцор ялгаруулж, химийн идэвхгүй бодис биш полони болж хувирдаг. Үүний дараа ураны цувралын цацраг идэвхт хувирлын гинжин хэлхээ (Зураг 9.7.5). Америкийн Цацрагийн аюулгүй байдал, хяналтын комиссын мэдээлснээр хүн дунджаар ионжуулагч цацрагийнхаа 55 хувийг радоноос, зөвхөн 11 хувийг эмнэлгийн тусламж үйлчилгээнээс авдаг. Сансрын цацрагийн хувь нэмэр ойролцоогоор 8% байна. Хүний амьдралынхаа туршид хүлээн авах цацрагийн нийт тун нь хэд дахин бага байдаг зөвшөөрөгдөх дээд хэмжээ(SDA) нь ионжуулагч цацрагийн нэмэлт нөлөөлөлд өртсөн тодорхой мэргэжлийн хүмүүст зориулагдсан байдаг.

Зорилго: оюутнуудад ураны цөмийн задралын талаархи ойлголтыг бий болгох.

• өмнө нь судалсан материалыг шалгах;
• ураны цөмийн задралын механизмыг авч үзэх;
• гинжин урвал үүсэх нөхцөлийг авч үзэх;
• гинжин урвалын явцад нөлөөлж буй хүчин зүйлсийг олж мэдэх;
• сурагчдын яриа, сэтгэлгээг хөгжүүлэх;
• өгөгдсөн хугацаанд өөрийн үйл ажиллагаанд дүн шинжилгээ хийх, хянах, тохируулах чадварыг хөгжүүлэх.

Тоног төхөөрөмж: компьютер, проекцийн систем, дидактик материал ("Цөмийн найрлага" тест), дискүүд "Интерактив курс. Физик 7-11kl ”(Физикон) ба“ 1С-давтагч. Физик" (1С).

Сайн байцгаана уу, хичээлийн төлөвлөгөөний зарлал.

Оюутнуудын бие даасан ажил - тест хийх ( Хавсралт 1 ). Туршилтанд та нэг зөв хариултыг зааж өгөх ёстой.

Цацраг идэвхт задралын явцад зарим химийн элементүүд бусад химийн элементүүд болон хувирдаг болохыг бид саяхан мэдсэн. Хэрэв ямар нэгэн бөөмс тодорхой химийн элементийн атомын цөмд, жишээлбэл, нейтрон нь ураны цөмд чиглүүлбэл юу болох бол гэж та бодож байна вэ? (Оюутны саналыг сонсох)

Таны таамаглалыг шалгацгаая ("Цөмийн хуваагдал" интерактив загвартай ажиллах"Интерактив курс. Физик 7-11кл” ).

Үр дүн нь юу байсан бэ?

- Ураны цөмд нейтрон мөргөхөд үр дүнд нь 2 фрагмент, 2-3 нейтрон үүсдэгийг бид харж байна.

Үүнтэй ижил үр нөлөөг 1939 онд Германы эрдэмтэн Отто Хан, Фриц Страсманн нар олж авсан. Тэд ураны цөмтэй нейтроны харилцан үйлчлэлийн үр дүнд цацраг идэвхт фрагментийн цөмүүд гарч ирдэг бөгөөд тэдгээрийн масс, цэнэг нь ураны цөмийн харгалзах шинж чанарын тал орчим хувийг эзэлдэг болохыг олж мэдэв. Байгалийн цацраг идэвхт хувирлын үед үүсдэг аяндаа задралаас ялгаатай нь ийм байдлаар үүсдэг цөмийн задралыг албадан хуваагдал гэж нэрлэдэг.

Цөм нь өдөөх төлөвт орж, хэв гажилт эхэлдэг. Цөм яагаад 2 хэсэгт хуваагддаг вэ? Ямар хүч завсарлага үүсгэдэг вэ?

Цөмийн дотор ямар хүч үйлчилдэг вэ?

– Цахилгаан статик ба цөмийн.

За, цахилгаан статик хүч хэрхэн илэрдэг вэ?

– Цэнэглэгдсэн хэсгүүдийн хооронд цахилгаан статик хүч үйлчилдэг. Цөм дэх цэнэгтэй бөөмс нь протон юм. Протон эерэг цэнэгтэй тул тэдгээрийн хооронд түлхэх хүч үйлчилнэ гэсэн үг.

Зөв, гэхдээ цөмийн хүч хэрхэн илэрдэг вэ?

– Цөмийн хүч нь бүх нуклонуудын хоорондох таталцлын хүч юм.

Тэгэхээр ямар хүчний үйлчлэлээр цөм задрах вэ?

- (Хэрэв ямар нэгэн хүндрэл гарвал удирдан чиглүүлэх асуултуудыг асууж, оюутнуудыг зөв дүгнэлтэд хүргэдэг) Цахилгаан статик түлхэлтийн хүчний нөлөөн дор цөм нь хоёр хэсэгт хуваагдаж, янз бүрийн чиглэлд тархаж, 2-3 нейтрон ялгаруулдаг.

Хагархай хэсгүүд нь маш өндөр хурдтайгаар тархдаг. Цөмийн дотоод энергийн нэг хэсэг нь нисдэг хэсгүүд болон бөөмсүүдийн кинетик энерги болж хувирдаг нь харагдаж байна. Хагархай хэсгүүд нь хүрээлэн буй орчинд цацагддаг. Тэдэнд юу тохиолдож байна гэж та бодож байна вэ?

– Хагархай нь хүрээлэн буй орчинд удааширдаг.

Эрчим хүчийг хадгалах хуулийг зөрчихгүйн тулд кинетик энерги юу болохыг хэлэх ёстой вэ?

– Хэсэг хэсгүүдийн кинетик энерги нь орчны дотоод энерги болж хувирдаг.

Орчны дотоод энерги өөрчлөгдсөнийг анзаарах боломжтой юу?

Тийм ээ, орчин дулаарч байна.

Гэхдээ задралд өөр тооны ураны цөм оролцох хүчин зүйл нь дотоод энергийн өөрчлөлтөд нөлөөлөх үү?

- Мэдээж олон тооны ураны цөм нэгэн зэрэг задрахад ураныг тойрсон орчны дотоод энерги нэмэгддэг.

Химийн хичээлээс харахад энерги шингээх болон ялгарах үед урвал үүсч болно гэдгийг та мэднэ. Ураны задралын урвалын талаар бид юу хэлж чадах вэ?

- Ураны цөмийн задралын урвал нь байгаль орчинд энерги ялгарахтай хамт явагддаг.

Атомын цөмд агуулагдах энерги нь асар их юм. Жишээлбэл, 1 г уранд агуулагдах бүх цөм бүрэн задрахад 2.5 тонн газрын тос шатаах үед ялгарах хэмжээний энерги ялгарах болно. Хагархайд юу тохиолдохыг тааварлав Нейтрон хэрхэн ажиллах вэ?

– (Би оюутнуудын таамаглалыг сонсож, таамаглалыг шалгаж, "Гинжин урвал" интерактив загвартай ажилладаг.“1С давталт. Физик" ).

Явж буй нейтронууд ураны цөмтэй уулзаж, хуваагдал үүсгэдэг нь үнэн. Ийм урвалыг гинжин урвал гэж нэрлэдэг.

Тэгэхээр гинжин урвал үүсэх нөхцөл юу вэ?

- Цөм бүрийн задралын явцад 2-3 нейтрон үүсдэг тул бусад цөмүүдийн задралд оролцох боломжтой тул гинжин урвал явагдах боломжтой.

Уран дахь чөлөөт нейтроны нийт тоо цаг хугацаа өнгөрөх тусам нуранги шиг нэмэгдэж байгааг бид харж байна. Энэ нь юунд хүргэж болох вэ?

- Дэлбэрэлт рүү.

- Цөмийн задралын тоо нэмэгдэж, үүний дагуу нэгж цаг тутамд ялгарах энерги нэмэгддэг.

Гэвч эцэст нь чөлөөт нейтроны тоо цаг хугацаа өнгөрөх тусам цөөрдөг өөр нэг хувилбар бас боломжтой бөгөөд цөм замдаа нейтронтой таарч чадаагүй юм. Энэ тохиолдолд гинжин урвалд юу тохиолдох вэ?

- Энэ нь зогсох болно.

Ийм урвалын энергийг энхийн зорилгоор ашиглаж болох уу?

Урвал хэрхэн үргэлжлэх ёстой вэ?

Урвал нь цаг хугацааны явцад нейтроны тоо тогтмол байхаар явагдах ёстой.

Нейтроны тоо байнга тогтмол байхыг яаж баталгаажуулах вэ?

- (хүүхдийн санал)

Энэ асуудлыг шийдэхийн тулд гинжин урвал явагдаж буй ураны хэсэг дэх чөлөөт нейтроны нийт тоо нэмэгдэх, буурахад ямар хүчин зүйл нөлөөлж байгааг мэдэх шаардлагатай.

Эдгээр хүчин зүйлсийн нэг нь ураны масс . Цөмийн задралын үед ялгарах нейтрон бүр бусад цөмийн задралд хүргэдэггүй нь баримт юм. Хэрэв ураны нэг хэсгийн масс (мөн үүний дагуу хэмжээ) хэтэрхий бага байвал олон нейтронууд түүнээс нисч, замдаа цөмтэй уулзаж амжаагүй, хуваагдаж, улмаар шинэ үеийг бий болгоно. урвалыг үргэлжлүүлэхэд шаардлагатай нейтронууд. Энэ тохиолдолд гинжин урвал зогсох болно. Урвал үргэлжлэхийн тулд ураны массыг тодорхой утгад хүргэх шаардлагатай шүүмжлэлтэй.

Яагаад массын өсөлтөөр гинжин урвал боломжтой болдог вэ?

– Хэсгийн масс их байх тусам нейтронууд цөмтэй уулзах магадлал өндөр байдаг. Үүний дагуу цөмийн задралын тоо, ялгарах нейтроны тоо нэмэгддэг.

Ураны тодорхой чухал масс гэж нэрлэгддэг үед цөм хуваагдах явцад гарч ирсэн нейтроны тоо нь алдагдсан нейтроны тоотой тэнцүү болдог (өөрөөр хэлбэл цөмд хуваагдалгүйгээр баригдаж, хэсэг хэсгээс гадагш гарсан).

Тиймээс тэдний нийт тоо өөрчлөгдөөгүй хэвээр байна. Энэ тохиолдолд гинжин урвал нь зогсолтгүй, тэсрэх шинж чанарыг олж авахгүйгээр удаан хугацаагаар үргэлжилж болно.

Гинжин урвал явагдах боломжтой ураны хамгийн бага массыг критик масс гэнэ.

Ураны масс нь критик массаас их байвал урвал хэрхэн үргэлжлэх вэ?

– Чөлөөт нейтроны тоо огцом нэмэгдсэний үр дүнд гинжин урвал нь дэлбэрэлтэд хүргэдэг.

Шүүмжлэл багатай байвал яах вэ?

Чөлөөт нейтрон байхгүйгээс болж урвал явагдахгүй.

Зөвхөн ураны массыг нэмэгдүүлээд зогсохгүй тусгай бодис ашиглан нейтроны (уранаас цөмтэй урвалд орохгүйгээр нисдэг) ​​алдагдлыг багасгах боломжтой. цацруулагч бүрхүүл . Үүний тулд ураны нэг хэсгийг нейтроныг сайн тусгадаг бодисоор хийсэн бүрхүүлд (жишээлбэл, бериллий) хийдэг. Энэхүү бүрхүүлээс туссан нейтронууд уран руу буцаж, цөмийн задралд оролцох боломжтой.

Масс, цацруулагч бүрхүүл байгаа эсэхээс гадна гинжин урвалын боломжоос хамаарах хэд хэдэн хүчин зүйл байдаг. Жишээлбэл, ураны нэг хэсэг бол агуулсан хэтэрхий их хольц бусад химийн элементүүд, тэдгээр нь нейтронуудын ихэнхийг шингээж, урвал зогсдог.

Урвалын явцад нөлөөлдөг өөр нэг хүчин зүйл бол Бэлэн байдал уран гэж нэрлэгддэг зүйлд нейтрон зохицуулагч . Уран-235-ын цөмүүд удаан нейтроны нөлөөн дор хуваагдах магадлал өндөр байдаг. Цөмийн хуваагдал нь хурдан нейтрон үүсгэдэг. Хэрэв хурдан нейтроныг удаашруулж байвал тэдгээрийн ихэнх нь уран-235 цөмд баригдаж, дараа нь эдгээр цөмүүд хуваагдах болно; бал чулуу, голомт, хүнд ус болон бусад бодисыг зохицуулагч болгон ашигладаг. Эдгээр бодисууд нь нейтроныг бараг шингээхгүйгээр удаашруулдаг.

Тэгэхээр гинжин урвалын явцад нөлөөлж болох гол хүчин зүйлүүд юу вэ?

- Гинжин урвалын магадлалыг ураны масс, түүн дэх хольцын хэмжээ, бүрхүүл, зохицуулагч байгаа эсэхээр тодорхойлдог.

Уран-235-ын бөмбөрцөг хэлбэрийн эгзэгтэй масс нь ойролцоогоор 50 кг юм. Үүний зэрэгцээ уран нь маш өндөр нягтралтай тул түүний радиус нь ердөө 9 см юм.

Зохицуулагч болон цацруулагч бүрхүүлийг ашиглаж, хольцын хэмжээг бууруулснаар ураны эгзэгтэй массыг 0.8 кг хүртэл бууруулах боломжтой.