Глава 4. § 63. Деление ядер урана. Цепная реакция — с. 304
§ 63. Вопрос 1. Почему деление ядра может начаться только тогда, когда оно деформируется под действием поглощённого им нейтрона?
Ядро удерживается ядерными силами притяжения между нуклонами, а протоны отталкиваются друг от друга электрическими силами. В недеформированном ядре ядерные силы преобладают, и ядро устойчиво. Нейтрон, поглощённый ядром, передаёт ему энергию, и ядро деформируется: растягивается, образуя перетяжку. Когда части ядра разойдутся настолько, что ядерные силы между ними станут слабее электрического отталкивания протонов, ядро делится на два осколка.
§ 63. Вопрос 2. Что образуется в результате деления ядра?
В результате деления ядра урана образуются два ядра-осколка (ядра атомов более лёгких элементов, например бария и криптона), которые разлетаются с большой скоростью, а также два или три свободных нейтрона. Кроме того, выделяется большая энергия.
§ 63. Вопрос 3. В какую энергию переходит часть внутренней энергии ядра при его делении; кинетическая энергия осколков ядра урана при их торможении в окружающей среде?
При делении часть внутренней энергии ядра переходит в кинетическую энергию разлетающихся осколков и нейтронов. При торможении осколков в окружающей среде их кинетическая энергия переходит во внутреннюю энергию среды, и среда нагревается.
§ 63. Вопрос 4. Как идёт реакция деления ядер урана — с выделением энергии в окружающую среду или, наоборот, с поглощением энергии?
Реакция деления ядер урана идёт с выделением энергии в окружающую среду. Сумма масс осколков и нейтронов меньше массы исходного ядра с нейтроном, и эта разность (дефект масс) проявляется в виде выделяющейся энергии.
§ 63. Вопрос 5. Расскажите о механизме протекания цепной реакции, используя рисунок 209.
Нейтрон попадает в ядро урана-235, и ядро делится на два осколка с выделением двух-трёх новых нейтронов. Каждый из этих нейтронов может попасть в другое ядро урана и вызвать его деление, при котором снова появляются два-три нейтрона, и так далее. Число свободных нейтронов и число делений в куске урана лавинообразно нарастает со временем; такой процесс называют цепной реакцией. При этом в единицу времени выделяется всё больше энергии, и реакция может принять взрывной характер.
§ 63. Вопрос 6. Что называют критической массой урана?
Критической массой называют наименьшую массу делящегося вещества (урана), при которой возможно протекание цепной реакции. При критической массе число нейтронов, появившихся при делении, равно числу потерянных нейтронов (захваченных ядрами без деления и вылетевших за пределы куска), поэтому число нейтронов остаётся неизменным.
§ 63. Вопрос 7. Возможно ли протекание цепной реакции, если масса урана меньше критической; больше критической?
Почему?
Если масса урана меньше критической, цепная реакция невозможна: нейтронов теряется (вылетает из куска или поглощается без деления) больше, чем появляется, из-за недостатка свободных нейтронов реакция затухает.
Если масса больше критической, число свободных нейтронов резко нарастает, цепная реакция идёт и приводит к взрыву (если её не управлять).
Если масса больше критической, число свободных нейтронов резко нарастает, цепная реакция идёт и приводит к взрыву (если её не управлять).
§ 63. Вопрос для обсуждения. Почему более эффективным замедлителем нейтронов является вещество, состоящее из лёгких атомов (графит), а не из тяжёлых (свинец)?
Нейтрон замедляется, сталкиваясь с ядрами атомов замедлителя и отдавая им часть кинетической энергии. При столкновении с лёгким ядром, масса которого сравнима с массой нейтрона, нейтрон передаёт ему большую долю своей энергии. Тяжёлое ядро свинца при столкновении почти не приходит в движение, а нейтрон отскакивает от него, почти не теряя скорости (как мячик от стенки). Поэтому у лёгких атомов нейтрон замедляется за гораздо меньшее число столкновений, и графит эффективнее свинца. Кроме того, замедлитель не должен поглощать нейтроны, а графит их почти не поглощает.