Деление ядер урана. Цепная реакция

Введение

Ядерная физика начала XX века привела к открытию удивительных явлений, связанных с атомным ядром. Одним из самых значимых открытий стало деление тяжелых ядер, которое открыло путь к использованию ядерной энергии в мирных и военных целях. Деление ядер урана — процесс, в ходе которого ядро тяжелого атома расщепляется на два более легких ядра и несколько нейтронов, сопровождаясь выделением огромного количества энергии.

Это открытие не только объяснило происхождение ядерной энергии, но и дало возможность управлять ядерными процессами — создавать как мирные энергетические установки, так и мощное оружие. Для школьников важно понять, как происходит деление ядер, каким образом высвобождается энергия и что такое цепная ядерная реакция.

Деление ядер урана

Ядра тяжелых элементов, таких как уран-235, нестабильны. Если к ним подлетает медленный нейтрон, ядро захватывает его, становится возбужденным и расщепляется на два или более легких фрагмента — ядра других элементов. При этом из ядра выделяются нейтроны, которые могут вызвать деление других ядер.

Пример деления ядра урана-235:

В этом примере:

•  — ядро урана-235,

•  — захваченный нейтрон,

•  и  — образовавшиеся ядра,

•  — новые нейтроны,

•  — энергия, выделившаяся при делении.

Ядра-«дочерние продукты» обычно радиоактивны, поэтому они продолжают излучать радиацию.

Механизм превращения энергии при делении ядра

Энергия, выделяющаяся при делении, объясняется дефектом масс. Масса исходного ядра и захваченного нейтрона больше, чем сумма масс продуктов деления. Согласно формуле Эйнштейна:

разность масс  превращается в кинетическую энергию осколков, энергию нейтронов и гамма-излучения. Основная часть энергии передается осколкам — это и вызывает тепловой эффект, который используется в ядерных реакторах для нагрева воды и производства пара.

Единицы измерения энергии:

• В ядерной физике энергия часто измеряется в мегаэлектронвольтах (МэВ): 1 МэВ ≈  Дж.

• Энергия деления одного ядра урана-235 составляет примерно 200 МэВ.

Таким образом, даже при делении небольшого количества атомов выделяется колоссальная энергия, сопоставимая с энергией, выделяющейся при сжигании тонн топлива.

Цепная ядерная реакция

Особенностью деления ядер урана является цепной характер процесса. При делении одного ядра выделяются нейтроны, которые могут вызвать деление других ядер. Если условия подходят, возникает самоподдерживающаяся цепная реакция.

Цепная реакция может быть:

• Контролируемой — в ядерных реакторах, где с помощью замедлителей и регулировочных стержней поддерживается стабильное количество делений в единицу времени. Энергия выделяется постепенно и используется для производства электричества.

• Неконтролируемой — в ядерном оружии, где скорость реакции нарастает крайне быстро, вызывая взрыв.

Для цепной реакции важно:

1. наличие достаточного количества делящегося материала;

2. наличие нейтронов, способных вызывать дальнейшее деление;

3. поддержание плотности, при которой нейтроны не уходят из массы материала.

Практическое значение деления ядер

1. Энергетика — ядерные реакторы используют тепловую энергию деления для выработки электроэнергии.

2. Научные исследования — изучение продуктов деления помогает понять строение атомного ядра и процессы радиоактивности.

3. Военные технологии — принципы цепной реакции легли в основу создания ядерного оружия.

4. Медицина — осколки деления применяются для производства радиоактивных изотопов, используемых в диагностике и терапии.

Безопасность и регулирование

Цепные реакции сопровождаются выделением радиации, поэтому любое использование деления ядер требует строгого контроля. В ядерной энергетике применяются защитные экраны, замедлители нейтронов, контроль за реактором и системы аварийной защиты.

Заключение

Деление ядер урана и цепная ядерная реакция — фундаментальные явления ядерной физики. Они объясняют, как из малой массы атома может выделиться огромная энергия, и лежат в основе ядерной энергетики, науки и техники. Понимание механизма превращения массы в энергию и условий цепной реакции помогает правильно использовать ядерные процессы и минимизировать риски.

Вопросы для самопроверки

1. Что такое деление ядра урана?

2. Какие частицы выделяются при делении ядра?

3. Как связана энергия деления с дефектом масс?

4. Какая часть энергии превращается в тепловую?

5. Почему энергия деления измеряется в МэВ?

6. Что такое цепная ядерная реакция?

7. В чём разница между контролируемой и неконтролируемой цепной реакцией?

8. Какие условия необходимы для поддержания цепной реакции?

9. Как используется энергия деления в ядерных реакторах?

10. Почему при делении ядер возникает радиоактивное излучение?