51. Деление и синтез ядер

Определения и обозначения

Деление ядра — распад тяжёлого ядра на более лёгкие ядра с испусканием нейтронов и выделением энергии. Осколки обычно имеют неодинаковые массы, а число испущенных нейтронов может различаться. Это определение помогает представить, какие частицы участвуют в реакции и откуда берутся нейтроны для её продолжения.

Цепная ядерная реакция — процесс, при котором нейтроны, появившиеся при делении ядер, вызывают новые деления. Так одно событие может стать причиной нескольких следующих. Понятие нужно, чтобы объяснить, как реакция распространяется в веществе и почему её скорость можно регулировать.

Термоядерный синтез — соединение лёгких ядер в более тяжёлое ядро при очень высокой температуре. Слово «синтез» означает объединение, поэтому процесс противоположен делению. Это определение помогает отличать реакции, в которых ядра соединяются, от реакций, в которых тяжёлое ядро распадается.

Энергетический выход ядерной реакции — энергия, выделяющаяся из-за изменения массы системы. Масса продуктов реакции может быть меньше суммарной массы исходных частиц, а разность обозначают Δm. Связь между этой разностью и энергией выражает формула E = Δmc², где c — скорость света.

Как это устроено

Когда тяжёлое ядро делится, образуются более лёгкие ядра и другие частицы. Их суммарная масса оказывается меньше массы исходного ядра вместе с частицей, которая вызвала реакцию. Разность масс не пропадает: согласно соотношению E = Δmc², она соответствует энергии, которая передаётся окружающим частицам и веществу. Поэтому даже небольшое изменение массы может дать значительный энергетический выход.

Нейтрон может проникнуть в ядро урана-235 и сделать его неустойчивым. Ядро делится на два осколка, при этом обычно испускается несколько нейтронов. Эти нейтроны способны попасть в другие ядра урана-235 и вызвать их деление. Так возникает возможность продолжения процесса, хотя результат зависит от того, сколько нейтронов действительно взаимодействует с ядрами.

Для поддержания цепной реакции достаточно, чтобы часть нейтронов вызывала новые деления, а число таких реакций не угасало. В реакторе скорость процесса регулируют, чтобы энергия выделялась постепенно и её можно было использовать. Если же реакция развивается неконтролируемо, количество делений быстро возрастает. Тогда энергия высвобождается за очень короткое время, что опасно.

При синтезе лёгкие ядра объединяются, образуя более тяжёлое ядро. Если масса получившихся продуктов меньше суммарной массы исходных ядер, разность масс превращается в энергию. Поэтому выделение энергии при синтезе объясняется тем же законом сохранения энергии, что и при делении. Однако сами условия реакции отличаются: лёгкие ядра необходимо сблизить.

Ядра имеют положительный электрический заряд, поэтому отталкиваются друг от друга. Чтобы они сблизились и смогли соединиться, необходимо преодолеть это отталкивание. Очень высокая температура сообщает частицам большие скорости, а удержание вещества должно дать ядрам возможность взаимодействовать. Поэтому для термоядерного синтеза важны и высокая температура, и подходящие условия удержания.

Сравнение деления ядер и термоядерного синтеза

Сначала сравните, какие ядра участвуют и что с ними происходит: эти признаки сразу показывают направление процесса. Затем сопоставьте условия и причину выделения энергии — для обеих реакций работает связь E = Δmc². В примерах указаны типичные реакции, а не полные уравнения с точным составом всех продуктов.

Разбор задач

Задача 1. Ядро урана-235 поглотило нейтрон и разделилось на два осколка, испустив несколько нейтронов. Объясните, почему реакция может продолжиться. Нужно проследить не только первое деление, но и дальнейшую судьбу испущенных нейтронов. При этом нельзя считать, что каждый нейтрон обязательно вызовет новую реакцию.

1. После деления появляются нейтроны, способные двигаться в веществе.
2. Если один из них попадёт в другое ядро урана-235, это ядро может поглотить нейтрон и разделиться.
3. При новом делении также могут появиться нейтроны, которые вызовут следующие деления.

Ответ: реакция может продолжиться благодаря нейтронам, вызывающим деление других ядер. Она будет поддерживаться, если достаточно нейтронов участвует в новых делениях.

Задача 2. Дефект массы ядерной реакции равен 3,0·10⁻²⁹ кг. Найдите выделившуюся энергию, если скорость света составляет 3,0·10⁸ м/с. Дефект массы — это разность масс исходной системы и продуктов; именно её нужно подставить вместо Δm. Проверяем, что масса задана в килограммах, а скорость — в метрах в секунду.

1. Запишем формулу энергетического выхода: E = Δmc².
2. Подставим значения: E = 3,0·10⁻²⁹ · (3,0·10⁸)² Дж.
3. Вычислим квадрат скорости: (3,0·10⁸)² = 9,0·10¹⁶.
4. Перемножим: E = 27·10⁻¹³ Дж = 2,7·10⁻¹² Дж.

Ответ: выделившаяся энергия равна 2,7·10⁻¹² Дж. Перевод 27·10⁻¹³ в стандартную запись сохраняет значение числа, но даёт привычный коэффициент от 1 до 10.

Задача 3. При делении одного ядра выделяется 3,2·10⁻¹¹ Дж. Оцените энергию при делении 1,0·10²⁰ ядер и объясните, зачем контролировать скорость цепной реакции. Сначала найдём энергию всех делений, используя одинаковый выход для каждого ядра. Затем свяжем полученный результат с тем, насколько важно управлять процессом.

1. Общее число делений равно 1,0·10²⁰.
2. Умножим энергию одного деления на число ядер: E = 3,2·10⁻¹¹ · 1,0·10²⁰ Дж.
3. При умножении степеней десятки показатели складываются: E = 3,2·10⁹ Дж.
4. Полученная энергия относится к сумме всех событий, а не к одному делению.

Ответ: выделится примерно 3,2·10⁹ Дж. Энергия накапливается при огромном числе делений, поэтому скорость цепной реакции в реакторе регулируют, чтобы выделение энергии оставалось управляемым.

Типичные ошибки

Ошибка 1: считать, что ядро делится на два одинаковых фрагмента. Такое представление слишком упрощает процесс: осколки обычно имеют разные массы, а при делении также испускаются нейтроны. Ошибку допускают, потому что слово «деление» легко представить как равное разделение пополам. Проверьте себя: укажите не только осколки, но и нейтроны среди продуктов реакции.

Ошибка 2: полагать, что каждый испущенный нейтрон вызывает новое деление. Часть нейтронов может поглотиться другими веществами или покинуть область реакции. Ошибка возникает, если цепную реакцию представляют как процесс, в котором все частицы обязательно находят новое ядро. Проверьте рассуждение вопросом: мог ли нейтрон уйти из вещества, не вызвав деления?

Ошибка 3: путать деление и синтез. При делении тяжёлое ядро распадается, а при синтезе лёгкие ядра объединяются. Путаница появляется из-за того, что обе реакции связаны с изменением ядер и выделением энергии. Чтобы проверить себя, сравните исходные ядра с результатом: распад или соединение?

Ошибка 4: говорить, что энергия выделяется из-за исчезновения массы. Масса не исчезает бесследно: уменьшение массы системы соответствует выделенной энергии по формуле E = Δmc². Такое неверное объяснение возникает, если выражение «масса превратилась в энергию» понимать буквально, забывая о сохранении энергии. Проверьте себя: назовите дефект массы и свяжите его с энергетическим выходом реакции.

Связь с другими темами

Для изучения темы нужны знания о строении атомного ядра, обозначениях химических элементов и изотопов, а также закон сохранения энергии. Дефект массы связывает ядерные реакции с формулой E = mc²: по изменению массы можно оценить энергетический выход. Понимание деления помогает разобраться в работе реакторов и атомной энергетике. Синтез, в свою очередь, связан с источниками энергии звёзд.

Что запомнить

• При делении тяжёлого ядра образуются более лёгкие ядра и нейтроны.
• Нейтроны при делении могут поддерживать цепную ядерную реакцию.
• Скорость цепной реакции в реакторе контролируют.
• При термоядерном синтезе лёгкие ядра соединяются в более тяжёлое.
• Для синтеза нужны очень высокая температура и условия, позволяющие ядрам сблизиться.
• Энергия ядерной реакции связана с уменьшением массы системы: E = Δmc².