"Физика (базовый уровень)", Пурышева Н.С., Важеевская Н.Е., Исаев Д.А., Чаругин В.М.
При захвате нейтрона ядро урана-235 может разделиться на два более лёгких ядра и несколько новых нейтронов. Масса продуктов реакции оказывается меньше массы исходного ядра вместе с захваченным нейтроном, а разность масс превращается в энергию по формуле E = Δmc². Основная часть этой энергии сначала разгоняет осколки. Нейтроны способны вызывать новые деления, поэтому при подходящих условиях возникает цепная реакция — принцип, важный для ядерной энергетики.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Деление ядра урана — превращение тяжёлого ядра урана-235 после захвата нейтрона в два более лёгких ядра и несколько нейтронов. Захваченный нейтрон меняет состояние ядра и может сделать его неустойчивым. Это понятие нужно, чтобы описывать ядерную реакцию и учитывать всех её участников.
Осколки деления — более лёгкие ядра, образующиеся при распаде урана. Они разлетаются с большой кинетической энергией и часто радиоактивны, то есть со временем превращаются в другие ядра. По их движению можно понять, куда сначала передаётся энергия реакции.
Дефект массы — разность между массой исходного ядра с захваченным нейтроном и суммарной массой продуктов деления. Для сравнения необходимо учитывать и осколки, и все испущенные нейтроны. Эта величина позволяет найти энергию реакции через формулу E = Δmc².
Цепная ядерная реакция — последовательность делений, при которой нейтроны одного акта вызывают новые акты. Она объясняет, как единичное событие может привести к множеству делений. Понятие важно для понимания работы ядерного реактора и условий самоподдержания реакции.
Ядро урана-235 тяжёлое: в нём много протонов и нейтронов, а ядерные силы должны удерживать их вместе. При захвате нейтрона ядро получает энергию и возбуждается, то есть оказывается в состоянии с избытком энергии. Оно может деформироваться, а затем разделиться, потому что для такого тяжёлого ядра конфигурация двух отдельных осколков становится энергетически выгоднее. В результате возникают два более лёгких ядра и несколько свободных нейтронов.
Энергия деления связана с тем, что масса до реакции и сумма масс после неё не совпадают. Нужно сравнивать исходное ядро вместе с поглощённым нейтроном со всеми продуктами, включая нейтроны деления. Если масса продуктов меньше, разность Δm называется дефектом массы; закон сохранения энергии не нарушается, поскольку эта разность соответствует энергии E = Δmc². Коэффициент c² велик, поэтому даже небольшой дефект массы означает заметную энергию.
Почти вся выделившаяся энергия сначала приходится на кинетическую энергию осколков: после разделения они отталкиваются и разлетаются в противоположные стороны. В веществе осколки сталкиваются с атомами и передают им энергию, замедляясь. Так их упорядоченное движение переходит во внутреннюю энергию вещества, то есть усиливает тепловое движение частиц. Именно это нагревание используется для получения тепла в ядерных энергетических установках.
При одном делении испускается несколько нейтронов, и каждый из них может быть захвачен другим ядром урана-235. Если такое поглощение приводит к делению, появляется новое поколение нейтронов и делений. Когда в среднем каждое деление вызывает хотя бы одно следующее, процесс может поддерживать себя; если новых делений больше, чем в предыдущем поколении, их число растёт. Поэтому реакция способна развиваться быстро, хотя не каждый нейтрон обязательно вызывает деление.
Самоподдержание зависит от того, сколько нейтронов остаётся в веществе и поглощается нужными ядрами. В маленьком образце значительная доля нейтронов успевает выйти наружу, а примеси могут поглотить часть нейтронов без деления. Поэтому имеют значение размеры, масса, состав и чистота урана, а также условия, влияющие на движение нейтронов. Критической называют такую массу вещества при заданных условиях, при которой реакция становится самоподдерживающейся.
Таблица показывает, кто участвует в делении и на каком этапе появляется или переносится энергия. При чтении проследи путь от исходного ядра к осколкам и нейтронам, а затем — к возможным новым делениям. Так проще отличить причину выделения энергии от механизма развития цепной реакции.
| Участник или величина | Что происходит | Роль в выделении энергии | Что важно указать |
|---|---|---|---|
| Ядро урана-235 | Поглощает нейтрон и становится неустойчивым | Исходное состояние реакции | Тяжёлое ядро делится на части |
| Осколки деления | Разлетаются в противоположные стороны | Получают основную часть кинетической энергии | Их суммарная масса меньше массы исходного ядра |
| Нейтроны | Испускаются при делении и могут вызвать новые деления | Обеспечивают развитие цепной реакции | Обычно образуется несколько нейтронов |
| Дефект массы | Возникает при сравнении масс до и после реакции | Переходит в энергию по формуле E = Δmc² | Даже малая потеря массы даёт большую энергию |
| Цепная реакция | Последовательность взаимно вызывающих делений | Определяет суммарное выделение энергии | Для самоподдержания нужны подходящие условия |
Записана реакция ²³⁵₉₂U + ¹₀n → ¹⁴¹₅₆Ba + ⁹²₃₆Kr + x¹₀n. Требуется определить число испущенных нейтронов x. Сначала удобно проверить сохранение массового числа: именно оно учитывает все нуклоны, в том числе нейтроны.
Ответ: образуются три нейтрона. Учитывать поглощённый нейтрон необходимо: он увеличивает массовое число исходной системы до 236.
Дан дефект массы Δm = 0,20 а.е.м.; нужно найти энергию одного деления. В формуле E = Δmc² масса должна быть выражена в килограммах, поэтому сначала переводим атомные единицы массы. Используем 1 а.е.м. ≈ 1,66 · 10⁻²⁷ кг и c ≈ 3,0 · 10⁸ м/с.
Ответ: при одном делении выделяется около 3,0 · 10⁻¹¹ Дж. Перед расчётом полезно проверить единицы: если масса оставлена в а.е.м., напрямую подставлять её в формулу в СИ нельзя.
Масса топлива равна 1,0 г, а на одно деление приходится примерно 200 МэВ. Нужно оценить энергию при делении всех ядер образца, поэтому сначала находим число ядер. Берём молярную массу урана-235 равной примерно 235 г/моль и постоянную Авогадро Nₐ ≈ 6,02 · 10²³ моль⁻¹.
Ответ: примерно 8 · 10¹⁰ Дж при условии, что делятся все ядра. Это расчётная оценка: в реальном процессе не все ядра топлива обязательно успевают разделиться.
Считать, что энергия возникает из ничего. Так думают, когда замечают, что энергия выделяется, но не сравнивают массы до и после реакции. Энергия соответствует уменьшению суммарной массы и перераспределению энергии системы. Проверь себя: включи в исходное состояние захваченный нейтрон, а в конечное — все продукты, и используй E = Δmc².
Путать деление с альфа- или бета-распадом. В обоих случаях ядро меняется, поэтому процессы легко смешать, если ориентироваться только на слово «распад». При делении тяжёлое ядро превращается в два осколка сравнимой массы, тогда как альфа-распад испускает частицу, а бета-распад меняет состав ядра. Сверь число и относительные массы образовавшихся частиц.
Забывать нейтроны в уравнении реакции. Это случается, если записать только исходное ядро и два осколка, не учитывая поглощённую частицу или продукты испускания. Тогда массовые числа не сойдутся. Проверка проста: отдельно сложи массовые и зарядовые числа слева и справа, учитывая нейтрон с массовым числом 1 и зарядовым числом 0.
Считать, что любая масса урана автоматически поддерживает цепную реакцию. Само наличие делящихся ядер ещё не означает, что нейтроны вызовут новые деления: часть вылетит из образца или будет поглощена без деления. Это заблуждение возникает, если забыть о размерах и составе вещества. Проверь рассуждение вопросом: остаётся ли в среднем достаточно нейтронов для следующего поколения делений?
Для понимания деления нужны знания о строении ядра, изотопах и сохранении массового и зарядового чисел, а также формула связи массы с энергией. Энергия деления и цепная реакция помогают объяснить работу ядерного реактора и принципы атомной энергетики; те же процессы связаны с ядерным оружием. Тема опирается на радиоактивность и энергию связи ядра, а понятие критической массы описывает условие самоподдержания реакции. Изучение последствий ядерных процессов связано также с дозиметрией.
Почему при делении ядра выделяется энергия, если ядро просто распадается на части?
Осколки деления связаны сильнее, чем исходное тяжёлое ядро: на один нуклон в них приходится большая энергия связи. Поэтому суммарная масса продуктов реакции меньше массы исходного ядра с захваченным нейтроном. Разность масс соответствует выделившейся энергии согласно E = Δmc².
Откуда берутся нейтроны, поддерживающие цепную реакцию?
Нейтроны испускаются непосредственно при делении ядра урана-235. Их обычно несколько на один акт деления, и некоторые из них могут попасть в другие ядра урана-235 и вызвать новые деления.
Почему деление урана даёт гораздо больше энергии, чем химическая реакция?
При химической реакции меняются связи между атомами, а при делении — состояние атомных ядер. Ядерные силы и энергии связи намного больше по масштабу, поэтому одно деление выделяет около 200 МэВ — намного больше энергии, чем типичная реакция между молекулами.
Чем цепная реакция отличается от обычного радиоактивного распада?
Радиоактивный распад происходит самопроизвольно в отдельных нестабильных ядрах. При цепной реакции нейтроны, появившиеся при одном делении, вызывают другие деления, поэтому процессы связаны и могут быстро размножаться.
Почему для цепной реакции необходима определённая масса урана?
При слишком малом размере образца многие нейтроны вылетают наружу, не вызвав новых делений. Нужны такие размеры, масса и состав вещества, чтобы в среднем достаточное число нейтронов вызывало следующие деления. Минимальную массу для самоподдерживающейся реакции при заданных условиях называют критической.
§ 52. Энергия деления ядер урана
