انشطار النوى الثقيلة. طاقة الانشطار

الصفحة الرئيسية

الصرف الصحي

دعونا نحسب كمية الطاقة المنبعثة أثناء انشطار نواة ثقيلة. عوض في (f.2) التعبيرات عن طاقات ربط النوى (f.1) ، بافتراض أن A 1 = 240 و Z 1 = 90. إهمال المصطلح الأخير في (f.1) نظرًا لصغره واستبداله بـ نحصل على قيم المعلمات a 2 و a 3

من هذا نحصل على أن الانشطار موات بقوة عندما يكون Z 2 / A> 17. تسمى قيمة Z 2 / A معلمة القسمة. الطاقة E ، المنبعثة أثناء الانشطار ، تنمو مع زيادة Z 2 / A ؛ Z 2 / A = 17 للنواة في منطقة الإيتريوم والزركونيوم. يمكن أن نرى من التقديرات التي تم الحصول عليها أن الانشطار موات بقوة لجميع النوى ذات A> 90. لماذا تكون غالبية النوى مستقرة فيما يتعلق بالانشطار التلقائي؟ للإجابة على هذا السؤال ، دعونا نرى كيف يتغير شكل النواة أثناء الانشطار.

في عملية الانشطار ، تمر النواة على التوالي المراحل التالية (الشكل 2): كرة ، بيضاوية الشكل ، دمبل ، شظيتان على شكل كمثرى ، شظيتان كرويتان. كيف تتغير الطاقة الكامنة للنواة في مراحل مختلفة من الانشطار؟ بعد حدوث الانشطار ، وفصل الشظايا عن بعضها بمسافة أكبر بكثير من نصف قطرها ، يمكن اعتبار الطاقة الكامنة للشظايا ، التي يحددها تفاعل كولوم بينها ، مساوية للصفر.

دعونا نفكر في المرحلة الأولى من الانشطار ، عندما تتخذ النواة شكل شكل إهليلجي مطول بشكل متزايد للثورة مع زيادة r. في هذه المرحلة من الانشطار ، r مقياس لانحراف النواة عن الشكل الكروي (الشكل 3). نظرًا لتطور شكل النواة ، فإن التغيير في طاقتها الكامنة يتحدد بالتغير في مجموع السطح وطاقات كولوم E "n + E" k. يُفترض أن يظل حجم النواة دون تغيير أثناء التشوه. في هذه الحالة ، تزداد الطاقة السطحية E "p ، حيث تزداد مساحة سطح النواة ، وتقل طاقة Coulomb E" k ، لأن متوسط المسافة بين النكليونات يزداد. دع اللب الكروي ، نتيجة لتشوه طفيف يتميز بمعامل صغير ، يتخذ شكل شكل بيضاوي متماثل محوريًا. يمكن إثبات أن طاقة السطح E "p وطاقة كولوم E" k تعتمد على التغير كما يلي:

في حالة التشوهات البيضاوية الصغيرة ، تحدث الزيادة في طاقة السطح بشكل أسرع من النقص في طاقة كولوم.
في منطقة النوى الثقيلة 2En> Ek ، يزداد مجموع طاقات السطح و Coulomb مع الزيادة. ويترتب على (f.4) و (f.5) أنه في حالة التشوهات البيضاوية الصغيرة ، تمنع الزيادة في طاقة السطح مزيدًا من التغييرات في شكل النواة ، وبالتالي الانشطار. التعبير (f.5) صالح للقيم الصغيرة (السلالات الصغيرة). إذا كان التشوه كبيرًا لدرجة أن النواة تأخذ شكل الدمبل ، فإن قوى التوتر السطحي ، مثل قوى كولوم ، تميل إلى فصل النواة وإعطاء الشظايا شكلاً كرويًا. في مرحلة الانشطار هذه ، يصاحب زيادة الإجهاد انخفاض في كل من Coulomb وطاقات السطح. هؤلاء. مع زيادة تدريجية في تشوه النواة ، تمر طاقتها الكامنة بحد أقصى. الآن r له معنى المسافة بين مراكز الأجزاء المستقبلية. عندما تبتعد الشظايا عن بعضها البعض ، فإن الطاقة الكامنة لتفاعلها ستنخفض ، حيث تقل طاقة تنافر كولوم E k. يظهر اعتماد الطاقة الكامنة على المسافة بين الشظايا في الشكل. 4. المستوى الصفري للطاقة الكامنة يتوافق مع مجموع طاقات السطح و Coulomb لجزئين غير متفاعلين.
إن وجود حاجز محتمل يمنع الانشطار النووي العفوي. لكي تنقسم النواة على الفور ، يجب أن تعطى طاقة Q التي تتجاوز ارتفاع الحاجز H. الطاقة الكامنة القصوى للنواة الانشطارية تساوي تقريبًا
ه 2 Z 1 Z 2 / (R 1 + R 2) ، حيث R 1 و R 2 هما نصف قطر الأجزاء. على سبيل المثال ، عندما تنقسم نواة الذهب إلى جزأين متطابقين ، e 2 Z 1 Z 2 / (R 1 + R 2) \ u003d 173 MeV ، وكمية الطاقة E المنبعثة أثناء الانشطار () هي 132 MeV. وبالتالي ، أثناء انشطار نواة الذهب ، من الضروري التغلب على حاجز محتمل بارتفاع حوالي 40 ميغا إلكترون فولت.
كلما زاد ارتفاع الحاجز H ، كلما كانت نسبة الكولوم والطاقات السطحية E إلى / E p في النواة الأولية أصغر. هذه النسبة ، بدورها ، تزداد مع زيادة معامل القسمة Z 2 / A (). كلما كان اللب أثقل ، انخفض ارتفاع الحاجز H. , نظرًا لأن معلمة القسمة تزداد مع زيادة عدد الكتلة:

هؤلاء. وفقًا لنموذج الإسقاط ، يجب أن تكون النوى ذات Z 2 / A> 49 غائبة في الطبيعة ، لأنها تنشطر تلقائيًا بشكل فوري تقريبًا (لوقت نووي مميز من 10 إلى 22 ثانية). يُفسر احتمال وجود نوى ذرية مع Z 2 / A> 49 ("جزيرة الاستقرار") من خلال بنية الغلاف. يظهر في الشكل اعتماد الشكل ، وارتفاع الحاجز المحتمل H ، وطاقة الانشطار E على قيمة معلمة القسمة Z 2 / А. 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 لـ 232 Th حتى 21 مللي ثانية لـ 260 Rf. الانشطار النووي القسري 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.

. طاقة الانشطار

يطلق انشطار 235 U بواسطة النيوترونات الحرارية طاقة تقارب 200 MeV. من بين هؤلاء ، يتم احتساب 167 MeV بواسطة الطاقة الحركية للشظايا. يتم توزيع بقية الطاقة بين مختلف الجسيمات التي تنشأ في عملية الانشطار والانحلال الإشعاعي للشظايا. يتم نقل جزء من طاقة الانشطار بعيدًا عن طريق -quanta المنبعثة من الشظايا المُثارة مباشرة بعد رحيل النيوترونات الفورية (ما يسمى بأشعة الانشطار اللحظي) ، وكذلك الكميات العرضية الناتجة عن - اضمحلال الشظايا. يتم نقل حوالي 5٪ من الطاقة الانشطارية عن طريق مضادات النترينو المتكونة أثناء - - اضمحلال الشظايا.
يتم توزيع طاقة الانشطار على النحو التالي

الانشطار النووي هو انقسام ذرة ثقيلة إلى جزأين متساوي الكتلة تقريبًا ، مصحوبًا بإطلاق كمية كبيرة من الطاقة.

بدأ اكتشاف الانشطار النووي حقبة جديدة - "العصر الذري". إن إمكانية استخدامه المحتمل ونسبة المخاطرة للاستفادة من استخدامه لم تولد فقط العديد من الإنجازات الاجتماعية والسياسية والاقتصادية والعلمية ، ولكن أيضًا مشاكل خطيرة. حتى من وجهة نظر علمية بحتة ، خلقت عملية الانشطار النووي عددًا كبيرًا من الألغاز والمضاعفات ، وتفسيرها النظري الكامل هو مسألة مستقبلية.

تقاسم مربح

تختلف طاقات الربط (لكل نواة) باختلاف النوى. الأثقل لها طاقات ربط أقل من تلك الموجودة في منتصف الجدول الدوري.

وهذا يعني أنه بالنسبة للنواة الثقيلة التي يزيد عددها الذري عن 100 ، يكون من المفيد التقسيم إلى جزأين أصغر ، وبالتالي إطلاق الطاقة ، والتي يتم تحويلها إلى الطاقة الحركية للشظايا. هذه العملية تسمى الانقسام

وفقًا لمنحنى الثبات ، الذي يوضح اعتماد عدد البروتونات على عدد النيوترونات للنويدات المستقرة ، تفضل النوى الأثقل عددًا أكبر من النيوترونات (مقارنة بعدد البروتونات) على النوى الأخف. يشير هذا إلى أنه جنبًا إلى جنب مع عملية الانقسام ، ستنبعث بعض النيوترونات "الاحتياطية". بالإضافة إلى ذلك ، سوف يأخذون أيضًا بعض الطاقة المحررة. أظهرت دراسة الانشطار النووي لذرة اليورانيوم إطلاق 3-4 نيوترونات: 238 U → 145 La + 90 Br + 3n.

العدد الذري (والكتلة الذرية) للجزء لا يساوي نصف الكتلة الذرية للجزء الأصل. عادة ما يكون الفرق بين كتل الذرات المتكونة نتيجة للانقسام حوالي 50 ذرة. صحيح أن سبب ذلك ليس واضحًا تمامًا بعد.

طاقات الربط لـ 238 U و 145 La و 90 Br هي 1803 و 1198 و 763 ميغا إلكترون فولت على التوالي. هذا يعني أنه نتيجة لهذا التفاعل ، يتم إطلاق الطاقة الانشطارية لنواة اليورانيوم ، والتي تساوي 1198 + 763-1803 = 158 إلكترون فولت.

الانقسام العفوي

عمليات الانقسام التلقائي معروفة في الطبيعة ، لكنها نادرة جدًا. يبلغ متوسط عمر هذه العملية حوالي 10 و 17 عامًا ، وعلى سبيل المثال ، يبلغ متوسط عمر تحلل ألفا لنفس النويدات المشعة حوالي 10 و 11 عامًا.

والسبب في ذلك هو أنه من أجل الانقسام إلى جزأين ، يجب أولاً أن يتم تشويه (شد) النواة إلى شكل بيضاوي ، ثم ، قبل الانقسام إلى جزأين ، تشكل "رقبة" في المنتصف.

الحاجز المحتمل

في الحالة المشوهة ، تعمل قوتان على القلب. أحدهما هو زيادة الطاقة السطحية (يفسر التوتر السطحي لقطرة سائل شكله الكروي) ، والآخر هو تنافر كولوم بين شظايا الانشطار. معًا ينتجون حاجزًا محتملاً.

كما في حالة اضمحلال ألفا ، من أجل حدوث الانشطار التلقائي لنواة ذرة اليورانيوم ، يجب أن تتغلب الشظايا على هذا الحاجز باستخدام نفق الكم. يبلغ الحاجز حوالي 6 ميغا إلكترون فولت ، كما في حالة تحلل ألفا ، لكن احتمال حفر جسيم ألفا عبر نفق أكبر بكثير من احتمال وجود ناتج انشطار ذري أثقل بكثير.

تقسيم قسري

الاحتمال الأكبر هو الانشطار المستحث لنواة اليورانيوم. في هذه الحالة ، يتم تشعيع النواة الأم بالنيوترونات. إذا قام الوالد بامتصاصها ، فإنها تلتصق ، وتطلق طاقة ملزمة على شكل طاقة اهتزازية يمكن أن تتجاوز 6 MeV المطلوبة للتغلب على الحاجز المحتمل.

عندما تكون طاقة النيوترون الإضافي غير كافية للتغلب على الحاجز المحتمل ، يجب أن يكون للنيوترون الساقط الحد الأدنى من الطاقة الحركية حتى يكون قادرًا على تحفيز انقسام الذرة. في حالة 238 يو ، تبلغ طاقة الارتباط للنيوترونات الإضافية حوالي 1 ميغا إلكترون فولت. وهذا يعني أن انشطار نواة اليورانيوم يتم تحريضه فقط بواسطة نيوترون بطاقة حركية أكبر من 1 إلكترون فولت. من ناحية أخرى ، فإن النظير 235 يو يحتوي على نيوترون واحد غير مزاوج. عندما تمتص النواة نواة إضافية ، فإنها تشكل زوجًا معها ، ونتيجة لهذا الاقتران ، تظهر طاقة ارتباط إضافية. هذا يكفي لإطلاق كمية الطاقة اللازمة للنواة للتغلب على الحاجز المحتمل ويحدث الانشطار النظيري عند الاصطدام بأي نيوترون.

تسوس بيتا

على الرغم من أن التفاعل الانشطاري يصدر ثلاثة أو أربعة نيوترونات ، إلا أن الأجزاء لا تزال تحتوي على نيوترونات أكثر من نظيراتها المتساوية المستقرة. هذا يعني أن أجزاء الانقسام غير مستقرة بشكل عام ضد تسوس بيتا.

على سبيل المثال ، عندما يحدث انشطار اليورانيوم 238U ، يكون الأيزوبار المستقر مع A = 145 هو نيوديميوم 145Nd ، مما يعني أن جزء اللانثانوم 145La يتحلل في ثلاث خطوات ، في كل مرة ينبعث منها إلكترون ومضاد نيوترينو ، حتى يتم تكوين نوكليد مستقر. الأيزوبار المستقر مع A = 90 هو الزركونيوم 90 Zr ؛ لذلك ، يتحلل جزء الانقسام البروم 90 Br في خمس مراحل من سلسلة β-decay.

تُطلق سلاسل β-decay هذه طاقة إضافية ، يتم نقلها كلها تقريبًا بواسطة الإلكترونات ومضادات النيترينوهات.

التفاعلات النووية: انشطار نوى اليورانيوم

من غير المحتمل انبعاث نيوترون مباشر من نوكليدة مع الكثير منها لضمان استقرار النواة. النقطة هنا هي أنه لا يوجد تنافر كولوم ، وبالتالي فإن الطاقة السطحية تميل إلى إبقاء النيوترون في ارتباط مع الأم. ومع ذلك ، هذا يحدث في بعض الأحيان. على سبيل المثال ، ينتج جزء انشطار 90 Br في مرحلة اضمحلال بيتا الأولى الكريبتون 90 ، والذي يمكن أن يكون في حالة مثارة مع طاقة كافية للتغلب على الطاقة السطحية. في هذه الحالة ، يمكن أن يحدث انبعاث النيوترونات مباشرة مع تكوين الكريبتون 89. لا يزال غير مستقر فيما يتعلق بالتحلل β حتى يتم تحويله إلى yttrium-89 مستقر ، بحيث يتحلل الكريبتون 89 في ثلاث خطوات.

انشطار نوى اليورانيوم: تفاعل متسلسل

يمكن امتصاص النيوترونات المنبعثة في تفاعل الانشطار بواسطة نواة أصل أخرى ، والتي تخضع بعد ذلك للانشطار المستحث. في حالة اليورانيوم 238 ، تنتج النيوترونات الثلاثة طاقة أقل من 1 ميغا إلكترون فولت (الطاقة المنبعثة أثناء انشطار نواة اليورانيوم - 158 ميغا إلكترون فولت - يتم تحويلها بشكل أساسي إلى الطاقة الحركية لشظايا الانشطار. ) ، لذلك لا يمكنها التسبب في مزيد من الانشطار لهذه النيوكليدة. ومع ذلك ، عند التركيز الكبير للنظير النادر 235 يو ، يمكن التقاط هذه النيوترونات الحرة بواسطة نوى 235 يو ، والتي يمكن أن تسبب بالفعل الانشطار ، لأنه في هذه الحالة لا توجد عتبة طاقة لا يتم تحفيز الانشطار تحتها.

هذا هو مبدأ التفاعل المتسلسل.

أنواع التفاعلات النووية

لنفترض أن k هو عدد النيوترونات المنتجة في عينة من المادة الانشطارية في المرحلة n من هذه السلسلة ، مقسومًا على عدد النيوترونات المنتجة في المرحلة n - 1. سيعتمد هذا الرقم على عدد النيوترونات المنتجة في المرحلة n - 1 والتي يتم امتصاصها من النواة ، والتي قد تضطر إلى الانقسام.

إذا كان ك< 1, то цепная реакция просто выдохнется и процесс остановится очень быстро. Именно это и происходит в природной в которой концентрация 235 U настолько мала, что вероятность поглощения одного из нейтронов этим изотопом крайне ничтожна.

إذا كان k> 1 ، فإن التفاعل المتسلسل سينمو حتى يتم استخدام كل المواد الانشطارية. ويتحقق ذلك عن طريق تخصيب الخام الطبيعي للحصول على تركيز كبير بما فيه الكفاية من اليورانيوم 235. بالنسبة للعينة الكروية ، تزداد قيمة k مع زيادة احتمالية امتصاص النيوترون ، والتي تعتمد على نصف قطر الكرة. لذلك ، يجب أن تتجاوز الكتلة U كمية معينة من أجل حدوث انشطار نواة اليورانيوم (تفاعل متسلسل).

إذا كان k = 1 ، فسيحدث تفاعل محكوم. يستخدم هذا في المفاعلات النووية. يتم التحكم في العملية عن طريق توزيع الكادميوم أو قضبان البورون بين اليورانيوم ، والذي يمتص معظم النيوترونات (هذه العناصر لديها القدرة على التقاط النيوترونات). يتم التحكم في انشطار نواة اليورانيوم تلقائيًا عن طريق تحريك القضبان بطريقة تجعل قيمة k تساوي واحدًا.

>> انشطار اليورانيوم

§ 107 انشطار نوى أورانيوس

يمكن فقط تقسيم نوى بعض العناصر الثقيلة إلى أجزاء. أثناء انشطار النوى ، ينبعث اثنان أو ثلاثة من النيوترونات و- صفائح. 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. لقد أثبتوا أنه عند قصف اليورانيوم بالنيوترونات ، تظهر عناصر من الجزء الأوسط من النظام الدوري: الباريوم ، والكريبتون ، وما إلى ذلك. ومع ذلك ، فإن التفسير الصحيح لهذه الحقيقة على وجه التحديد هو انشطار نواة اليورانيوم التي استولت على النيوترون. 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 شظايا. الانشطار النووي ممكن لأن الكتلة الباقية لنواة ثقيلة أكبر من مجموع الكتل المتبقية للشظايا التي تنشأ أثناء الانشطار. لذلك ، هناك إطلاق للطاقة يعادل انخفاض الكتلة المتبقية المصاحبة للانشطار.

يمكن أيضًا تفسير إمكانية انشطار النوى الثقيلة باستخدام رسم بياني لاعتماد طاقة الربط المحددة على رقم الكتلة A (انظر الشكل 13.11). طاقة الارتباط 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 عند ظهور 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.يمكن تفسير عملية الانشطار النووي على أساس نموذج إسقاط النواة. وفقًا لهذا النموذج ، تشبه مجموعة النيوكليونات قطرة من سائل مشحون (الشكل 13.14 ، أ). القوى النووية بين النيوكليونات قصيرة المدى ، مثل القوى المؤثرة بين الجزيئات السائلة. إلى جانب القوى القوية للتنافر الكهروستاتيكي بين البروتونات ، والتي تميل إلى تمزيق النواة ، هناك قوى جذب نووية أكبر. هذه القوى تمنع النواة من التفكك.

نواة اليورانيوم 235 كروية. بعد امتصاص نيوترون إضافي ، يكون متحمسًا ويبدأ في التشوه ، ويكتسب شكلًا ممدودًا (الشكل 13.14 ، ب). سيتم شد اللب حتى تبدأ قوى التنافر بين نصفي القلب الممدود في التغلب على القوى الجذابة المؤثرة 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 ممكنة.

من الممكن فهم 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 الناتجة عن 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 لها قيم مختلفة - من عدة ملايين من الإلكترون فولت إلى صغيرة جدًا ، قريبة 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.A Petrzhak في عام 1940. يبلغ عمر النصف للانشطار التلقائي 10 16 عامًا. 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 ممارسة مهام وتمارين امتحان ذاتي ورش عمل ، تدريبات ، حالات ، أسئلة ، واجبات منزلية ، أسئلة مناقشة ، أسئلة بلاغية من الطلاب الرسوم التوضيحية مقاطع الصوت والفيديو والوسائط المتعددةصور ، 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 مثاليةخطة التقويم للعام التوصيات المنهجية لبرنامج المناقشة دروس متكاملة

يحدث 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 من "الدمبل" ، بينما تعمل القوى الكهربائية بقوة كبيرة في مثل هذه المسافة ، وتنقسم النواة ببساطة إلى جزأين. في هذه الحالة ، ينبعث أيضًا نيوترونان أو ثلاثة.

تنتشر شظايا النواة والنيوترونات المحررة بسرعة كبيرة في اتجاهات مختلفة. تتباطأ الشظايا بسرعة بسبب البيئة ، لكن طاقتها الحركية هائلة. يتم تحويله إلى الطاقة الداخلية للوسط الذي يسخن. 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). تنتشر على الجانبين بسرعة كبيرة ويمكن أن تسقط بسهولة في 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 أضعافا مضاعفة في فترة زمنية قصيرة. 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 جميع المواد 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 ، 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 حدوث تفاعل متسلسل.

سيكون عدد النيوترونات المتكونة مساويًا لعدد النيوترونات التي خرجت. وسيستمر التفاعل بنفس المعدل تقريبًا حتى يتم إنتاج الحجم الكامل للمادة. يستخدم هذا في الممارسة العملية في محطات الطاقة النووية ويسمى التفاعل النووي الخاضع للرقابة.

الانشطار النووي- عملية تقسيم نواة الذرة إلى نواتين (نادرًا ما تكون ثلاثة) لهما كتل متشابهة ، تسمى شظايا الانشطار. نتيجة للانشطار ، يمكن أن تظهر أيضًا نواتج تفاعل أخرى: النوى الخفيفة (جسيمات ألفا بشكل أساسي) ، والنيوترونات ، وكوانتا جاما. يمكن أن يكون الانشطار عفويًا (عفويًا) وإجباريًا (نتيجة للتفاعل مع الجسيمات الأخرى ، بشكل أساسي مع النيوترونات). يعد انشطار النوى الثقيلة عملية طاردة للحرارة ، ونتيجة لذلك يتم إطلاق كمية كبيرة من الطاقة في شكل الطاقة الحركية لنواتج التفاعل ، وكذلك الإشعاع. يخدم الانشطار النووي كمصدر للطاقة في المفاعلات النووية والأسلحة النووية. يمكن أن تستمر عملية الانشطار فقط عندما تتجاوز الطاقة الكامنة للحالة الأولية لنواة الانشطار مجموع كتل شظايا الانشطار. نظرًا لأن طاقة الارتباط المحددة للنواة الثقيلة تتناقص مع زيادة الكتلة ، فإن هذا الشرط يكون مرضيًا لجميع النوى تقريبًا ذات العدد الكتلي.

ومع ذلك ، كما تظهر التجربة ، حتى أثقل النوى يتم تقسيمها تلقائيًا باحتمالية منخفضة جدًا. هذا يعني أن هناك حاجزًا للطاقة ( حاجز الانشطار) لمنع الانقسام. يتم استخدام العديد من النماذج لوصف عملية الانشطار النووي ، بما في ذلك حساب حاجز الانشطار ، ولكن لا يمكن لأي منها شرح العملية بشكل كامل.

حقيقة أن الطاقة يتم إطلاقها أثناء انشطار النوى الثقيلة تأتي مباشرة من اعتماد طاقة الارتباط المحددة ε = E St (A، Z) / A من العدد الكتلي A. أثناء انشطار نواة ثقيلة ، تتشكل نوى أخف ، حيث ترتبط النكليونات بقوة أكبر ، ويتم إطلاق جزء من الطاقة أثناء الانشطار. كقاعدة عامة ، يصاحب الانشطار النووي انبعاث 1-4 نيوترونات. دعونا نعبر عن طاقة أجزاء الانشطار Q من حيث طاقات الربط للنواة الأولية والنهائية. طاقة النواة الأولية ، المكونة من بروتونات Z و N نيوترونات ، ولها كتلة M (A ، Z) وطاقة ربط E St (A ، Z) ، نكتب بالشكل التالي:

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

يصاحب تقسيم النواة (A ، Z) إلى جزأين (A 1، Z 1) و (A 2، Z 2) تكوين N n = أ - أ 1 - أ 2 نيوترونات سريعة. إذا كانت النواة (A، Z) مقسمة إلى أجزاء ذات كتل M 1 (A 1، Z 1)، M 2 (A 2، Z 2) وطاقات الربط E st1 (A 1، Z 1)، E st2 (A 2 ، Z 2) ، ثم بالنسبة لطاقة الانشطار لدينا التعبير:

Q div \ u003d (M (A، Z) -) c 2 \ u003d E St 1 (A 1، Z 1) + E St (A 2، Z 2) - E St (A، Z) ،

A \ u003d A 1 + A 2 + N n ، Z \ u003d Z 1 + Z 2.

23. النظرية الأولية للانشطار.

في عام 1939 ن. بورو J. ويلر، إلى جانب يا فرنكلقبل وقت طويل من دراسة الانشطار بشكل تجريبي شامل ، تم اقتراح نظرية لهذه العملية ، بناءً على مفهوم النواة كقطرة من السائل المشحون.

يمكن الحصول على الطاقة المنبعثة أثناء الانشطار مباشرة من صيغ Weizsäcker.

في عملية الانشطار ، تمر النواة بالتتابع عبر المراحل التالية (الشكل 2): كرة ، مجسم إهليلجي ، دمبل ، شظيتان على شكل كمثرى ، شظيتان كرويتان. كيف تتغير الطاقة الكامنة للنواة في مراحل مختلفة من الانشطار؟ بعد حدوث الانشطار ، وفصل الشظايا عن بعضها بمسافة أكبر بكثير من نصف قطرها ، يمكن اعتبار الطاقة الكامنة للشظايا ، التي يحددها تفاعل كولوم بينها ، مساوية للصفر.

في حالة التشوهات البيضاوية الصغيرة ، تحدث الزيادة في طاقة السطح بشكل أسرع من النقص في طاقة كولوم. في منطقة النوى الثقيلة 2En> Ek ، يزداد مجموع طاقات السطح و Coulomb مع الزيادة. ويترتب على (f.4) و (f.5) أنه في حالة التشوهات البيضاوية الصغيرة ، تمنع الزيادة في طاقة السطح مزيدًا من التغييرات في شكل النواة ، وبالتالي الانشطار. التعبير (f.5) صالح للقيم الصغيرة (السلالات الصغيرة). إذا كان التشوه كبيرًا لدرجة أن النواة تأخذ شكل الدمبل ، فإن قوى التوتر السطحي ، مثل قوى كولوم ، تميل إلى فصل النواة وإعطاء الشظايا شكلاً كرويًا. في مرحلة الانشطار هذه ، يصاحب زيادة الإجهاد انخفاض في كل من Coulomb وطاقات السطح. هؤلاء. مع زيادة تدريجية في تشوه النواة ، تمر طاقتها الكامنة بحد أقصى. الآن r له معنى المسافة بين مراكز الأجزاء المستقبلية. عندما تبتعد الشظايا عن بعضها البعض ، ستنخفض الطاقة الكامنة لتفاعلها ، حيث تقل طاقة تنافر كولوم Ek. يظهر اعتماد الطاقة الكامنة على المسافة بين الشظايا في الشكل. 4. المستوى الصفري للطاقة الكامنة يتوافق مع مجموع طاقات السطح و Coulomb لجزئين غير متفاعلين. إن وجود حاجز محتمل يمنع الانشطار النووي العفوي. لكي تنقسم النواة على الفور ، يجب أن تُعطى طاقة Q التي 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 الجزء. على سبيل المثال ، عندما تنقسم نواة الذهب إلى جزأين متطابقين ، e 2 Z 2 / (R 1 + R 2) \ u003d 173 MeV ، والطاقة E المنبعثة أثناء الانشطار ( انظر الصيغة (f.2)) يساوي 132 إلكترون فولت. وبالتالي ، عند انشطار نواة الذهب ، من الضروري التغلب على حاجز محتمل بارتفاع حوالي 40 ميغا إلكترون فولت. كلما زاد ارتفاع الحاجز H ، كلما كانت نسبة الكولوم والطاقات السطحية E إلى / E p في النواة الأولية أصغر. هذه النسبة ، بدورها ، تزداد مع زيادة معامل القسمة Z 2 / A ( انظر (ص .4)). كلما كان اللب أثقل ، انخفض ارتفاع الحاجز H. , نظرًا لأن معلمة القسمة تزداد مع زيادة عدد الكتلة:

هؤلاء. وفقًا لنموذج الإسقاط ، يجب أن تكون النوى ذات Z 2 / A> 49 غائبة في الطبيعة ، لأنها تنشطر تلقائيًا بشكل فوري تقريبًا (لوقت نووي مميز من 10 إلى 22 ثانية). يفسر وجود نوى ذرية مع Z 2 / A> 49 ("جزيرة الاستقرار") من خلال بنية الغلاف. يظهر في الشكل اعتماد الشكل ، وارتفاع الحاجز المحتمل H ، وطاقة الانشطار E على قيمة معلمة القسمة Z 2 / А. 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 مقابل 232 ث إلى 0.3 ثانية مقابل 260 كو. الانشطار النووي القسري 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.

الأقسام