Новости. Знакомства. Ядро атома испускает альфа-частицу — ядро атома гелия. атом стоковые видео и кадры b-roll. Деление атомных ядер тяжелых элементов возможно благодаря тому, что удельная энергия связи этих ядер меньше удельной энергии связи ядер элементов.
Деление атомного ядра
Таким образом, появляется возможность осуществления разветвляющейся, ускоряющейся цепной реакции деления ядер атомов с выделением огромного количества энергии. это ядерная реакция или радиоактивный распад, в котором ядро атома расщепляется на два или более меньших и более легких ядра. Ввиду этого взрыв атомной бомбы, если он происходит в подходящей среде, может вызвать вспышку термоядерной реакции (см. §226).
Деление ядер: процесс расщепления атомного ядра. Ядерные реакции
Для количества же «взрывчатки» водородное бомбы такого ограничения нет, так как дейтерий, тритий, их смесь и т. В отличие от реакции деления до настоящего времени еще не осуществлено использование термоядерной реакции для практического получения тепловой и электрической энергии. Однако интенсивные исследования в этом направлении ведутся в СССР и в других странах. Применение термоядерной реакции для получения энергии представляет огромный интерес, так как запасы сырья для этой реакции огромны дейтерий в составе воды в океанах! Движение медленной заряженной частицы в однородном магнитном поле а и в магнитном поле прямолинейного провода с током б. Тонкие линии — линии магнитного поля, спирали — траектории частицы Для возбуждения термоядерной реакции ядерное «горючее» должно быть нагрето до температуры порядка десяти миллионов градусов.
При таких температурах вещество переходит в состояние сильно ионизованного газа — плазмы. Чтобы реакция не затухала, плазму нужно удерживать от расширения, то есть надо ограничить свободу движения частиц плазмы — ионов и электронов. Этого нельзя достигнуть простым заключением плазмы в замкнутый сосуд, так как никакие стенки не могут противостоять температуре, в тысячи раз превышающей температуру испарения самых жаростойких материалов изоляция плазмы от стенок нужна еще и потому, что интенсивная передача тепла стенкам затруднила бы нагрев плазмы. В начале 50-х годов советские физики А. Сахаров и И.
Тамм, а также некоторые зарубежные ученые предложили использовать для удержания плазмы сильные магнитные поля. Если начальная скорость параллельна магнитному полю, частица движется свободно по инерции вдоль линии магнитного поля, так как в этом случае сила Лоренца равна нулю. В общем случае, когда начальная скорость направлена произвольно, имеет место сложение прямолинейного и кругового движений — частица описывает винтовую траекторию, навивающуюся на линию магнитного поля рис.
Оно характеризуется величиной, которую называют длиной волны. Понятие длины волны характеризует перемещение волновой поверхности за один период в зависимости от рода среды и частоты колебаний. Длиной волны называется расстояние между ближайшими точками на одном направлении, которые колеблется в одинаковой фазе и определяется формулой 2 Изображение спектра электромагнитного излучения, проходящего через щель, на плоскости экране, фотопластинке также называется спектром. В зависимости от изображения на плоскости спектры бывают линейчатые, полосатые и сплошные. Линейчатые спектры состоят из узких линий различных цветов, разделенных темными промежутками в цветном изображении. Полосатые спектры состоят из ряда светлых полос, разделенных темными промежутками. Примером сплошного спектра является спектр белого света, в котором каждый цвет плавно переходит в другой без темных промежутков.
Спектр подразделяется на три области: инфракрасную, видимую и ультрафиолетовую. Они относятся различным диапазонам частот или длин волн. Спектры отличают способами их получения.
Здесь можно с успехом проводить обзорные и целевые экскурсии, лекции, семинары, тематические встречи с участием действующих специалистов и заслуженных ветеранов-ядерщиков, другие познавательные мероприятия. Объект обустроен таким образом, что во время демонстрационного сеанса посетители благодаря достигнутым визуальным эффектам словно оказываются в самом центре процесса цепной реакции деления ядра урана.
На стенде наглядно и красочно проиллюстрированы все этапы процесса деления атомного ядра. Ядро, схематически представленное как шар, деформируется, обретая гантелеобразную форму со все более сужающимся перешейком. В результате происходит разделение ядра на пару осколков, сопровождающееся высвобождением колоссального энергетического потенциала. Энергия деления широко используется в реакторах атомных электростанций, ядерных силовых установках надводных кораблей и субмарин, а также ядерных и термоядерных боеприпасах. Посмотрите стенд "Магия деления ядра урана" на нашем видео на канале в Youtube.
Техническое решение, оборудование Основной задачей при оснащении экспоната «Магия деления ядра урана» было построение особой мультимедийной зеркальной комнаты с применением новейшего оборудования и технологий в соответствии с требованиями и пожеланиями, изложенными заказчиком в предоставленном общем техническом задании.
Атомные бомбы основаны на реакции деления ядер, однако важно отметить, что для цепной реакции деления требуется определенное количество делящегося материала, такого как уран-235, известное как сверхкритическая масса. Слияние атомов: ядерный синтез В водородных бомбах используется комбинация деления и синтеза, причем ядерный синтез усиливает реакцию деления и позволяет получить гораздо более мощный взрыв по сравнению с атомными бомбами. Процесс ядерного синтеза, по сути, противоположен процессу деления: вместо того чтобы расщеплять более тяжелые атомы на более мелкие, он происходит путем объединения двух атомов с образованием третьего нестабильного атома.
Именно этот процесс является источником энергии Солнца. При ядерном синтезе в основном используются изотопы более легких элементов, например, два изотопа водорода - дейтерий и тритий. Под действием высокой температуры и давления эти два атома соединяются друг с другом, образуя крайне нестабильный изотоп гелия, при этом выделяется энергия и нейтроны. Высвобождающиеся нейтроны подпитывают реакцию деления более тяжелых атомов, таких как уран-235, создавая взрывную цепную реакцию.
Сравнение атомной и водородной бомб Насколько мощными являются водородные бомбы и насколько они превосходят атомные? Бомбы "Малыш" и "Толстяк" использовались в ходе атомных бомбардировок Хиросимы и Нагасаки в 1945 году, положивших разрушительный конец Второй мировой войне. В то время масштабы этих бомбардировок не имели себе равных.
Видео-стенд "Магия Деления ядра урана" в парке "Патриот"
| Спустя 80 лет ученые поняли, как атомные ядра начинают вращаться после деления | Но если ядро похоже на жидкую каплю и может дробиться и сливаться, то с чем был связан шок от новости о делении урана? |
| - Аналитика. Деление атома | Новости. Знакомства. |
| Разделяя неразделимое | 1. История открытия деления атомного ядра 2. Капельная модель ядра 3. Цепная реакция деления 4. Использование энергии деления ядер 5. Настоящее и будущее атомной энергетики. |
Открытие ядерного деления
| Ядерное деление | ЯДЕР ДЕЛЕНИЕ, ядерная реакция, в которой атомное ядро при бомбардировке нейтронами расщепляется на два или несколько осколков. |
| ГЛАВА 4 Открытие деления | 1. История открытия деления атомного ядра 2. Капельная модель ядра 3. Цепная реакция деления 4. Использование энергии деления ядер 5. Настоящее и будущее атомной энергетики. |
Спустя 80 лет ученые поняли, как атомные ядра начинают вращаться после деления
Энергия ядерного деления выделяется в виде кинетической энергии продуктов деления и осколков, а также в виде электромагнитного излучения в форме гамма-лучей ; в ядерном реакторе энергия преобразуется в тепло, когда частицы и гамма-лучи сталкиваются с атомами, которые составляют реактор и его рабочую жидкость , обычно воду или иногда тяжелую воду или расплавленные соли. Анимация кулоновского взрыва в случае кластера положительно заряженных ядер, сродни кластеру осколков деления. Уровень оттенка цвета пропорционален большему заряду ядра. Электроны меньшего размера на этой шкале времени видны только стробоскопически, а уровень оттенка - это их кинетическая энергия.
В атомной бомбе это тепло может способствовать повышению температуры ядра бомбы до 100 миллионов кельвинов и вызывать вторичное излучение мягких рентгеновских лучей, которые преобразуют часть этой энергии в ионизирующее излучение. Однако в ядерных реакторах кинетическая энергия осколков деления остается низкотемпературной теплотой, которая сама по себе вызывает небольшую ионизацию или ее отсутствие. Были сконструированы так называемые нейтронные бомбы улучшенное радиационное оружие , которые выделяют большую часть своей энергии в виде ионизирующего излучения в частности, нейтронов , но все это термоядерные устройства, которые зависят от стадии ядерного синтеза для получения дополнительного излучения.
Например, в уране-235 эта запаздывающая энергия делится на примерно 6,5 МэВ в бета, 8,8 МэВ в антинейтрино высвобождаемых одновременно с бета и, наконец, на дополнительные 6,3 МэВ в задержанном гамма-излучении возбужденного бета-излучения. В реакторе, который работает в течение некоторого времени, радиоактивные продукты деления будут накапливаться до устойчивых концентраций, так что их скорость распада равна скорости их образования, так что их относительный общий вклад в тепло реактора через бета-распад совпадает с этими радиоизотопными дробными вкладами в энергию деления. Именно эта выходная доля остается, когда реактор внезапно останавливается подвергается аварийному останову.
Однако в течение нескольких часов из-за распада этих изотопов выходная мощность распада намного меньше. Подробнее см. Остаточное тепло.
Причина в том, что энергия, выделяемая в виде антинейтрино, не улавливается материалом реактора в виде тепла, а уходит прямо через все материалы включая Землю почти со скоростью света в межпланетное пространство поглощенное количество мизерно. Нейтринное излучение обычно не классифицируется как ионизирующее излучение, потому что оно почти полностью не поглощается и, следовательно, не вызывает эффектов хотя очень редкое нейтринное событие является ионизирующим. Некоторые процессы с участием нейтронов примечательны тем, что поглощают или, наконец, выделяют энергию - например, кинетическая энергия нейтронов не дает тепла сразу, если нейтрон захватывается атомом урана-238 для образования плутония-239, но эта энергия выделяется, если плутоний-239 позже расщепляется.
С другой стороны, так называемые запаздывающие нейтроны, испускаемые как продукты радиоактивного распада с периодом полураспада до нескольких минут от дочерних элементов деления, очень важны для управления реактором , поскольку они дают характерное время «реакции» для полной ядерной реакции. Без их существования ядерная цепная реакция стала бы критической и увеличивалась бы в размерах быстрее, чем ее можно было бы контролировать с помощью вмешательства человека. В этом случае первые экспериментальные атомные реакторы убежали бы в опасную и беспорядочную «быструю критическую реакцию», прежде чем их операторы смогли бы отключить их вручную по этой причине конструктор Энрико Ферми включил управляющие стержни с радиационным противодействием, подвешенные электромагнитами, которые могли автоматически упасть в центр Чикаго Пайл-1.
Если эти запаздывающие нейтроны захватываются без деления, они также выделяют тепло. Ядра-продукты и энергия связи Основные статьи: продукты деления и выход продуктов деления При делении предпочтительно получать осколки с четным числом протонов, что называется нечетно-четным эффектом распределения заряда осколков. Однако нечетно-четного эффекта на распределение массового числа фрагментов не наблюдается.
Этот результат объясняется разрывом нуклонных пар. Происхождение активной энергии и кривая энергии связи «Кривая энергии связи»: график энергии связи на нуклон обычных изотопов. Ядерное деление тяжелых элементов производит полезную энергию, потому что удельная энергия связи энергия связи на массу ядер промежуточной массы с атомными номерами и атомными массами, близкими к 62 Ni и 56 Fe , больше, чем удельная энергия связи нуклонов очень тяжелых ядер.
Полная масса покоя продуктов деления Mp от одиночной реакции меньше, чем масса исходного ядра топлива M. Изменение удельной энергии связи в зависимости от атомного номера происходит из-за взаимодействия двух фундаментальных сил, действующих на составляющие нуклоны протоны и нейтроны , составляющие ядро. Ядра связаны ядерной силой притяжения между нуклонами, которая преодолевает электростатическое отталкивание между протонами.
Однако ядерное взаимодействие действует только на относительно коротких расстояниях несколько диаметров нуклона , поскольку оно следует за экспоненциально убывающим потенциалом Юкавы, что делает его несущественным на больших расстояниях. Электростатическое отталкивание имеет больший диапазон, поскольку оно затухает по правилу обратных квадратов, так что ядра размером более 12 нуклонов в диаметре достигают точки, в которой полное электростатическое отталкивание преодолевает ядерную силу и делает их спонтанно нестабильными. По той же причине более крупные ядра более восьми нуклонов в диаметре менее тесно связаны на единицу массы, чем более мелкие ядра; разбиение большого ядра на два или более ядер среднего размера высвобождает энергию.
Также из-за малого радиуса действия сильной связывающей силы большие стабильные ядра должны содержать пропорционально больше нейтронов, чем самые легкие элементы, которые наиболее стабильны при соотношении протонов и нейтронов 1: 1. Ядра, содержащие более 20 протонов, не могут быть стабильными, если у них нет более равного количества нейтронов. Дополнительные нейтроны стабилизируют тяжелые элементы, потому что они усиливают сильную связь которая действует между всеми нуклонами , не увеличивая протон-протонное отталкивание.
В продуктах деления в среднем примерно такое же соотношение нейтронов и протонов, что и в их родительском ядре, и поэтому они обычно нестабильны к бета-распаду который превращает нейтроны в протоны , потому что они имеют пропорционально слишком много нейтронов по сравнению со стабильными изотопами аналогичной массы. Эта тенденция ядер продуктов деления к бета-распаду является фундаментальной причиной проблемы радиоактивных высокоактивных отходов ядерных реакторов. Продукты деления, как правило, являются бета-излучателями , испускающими быстро движущиеся электроны для сохранения электрического заряда , поскольку избыточные нейтроны превращаются в протоны в атомах продуктов деления.
Раздел « Продукты деления по элементам » для описания продуктов деления, отсортированных по элементам. Цепные реакции Схема цепной реакции ядерного деления. Атом урана-235 поглощает нейтрон и делится на два новых атома осколки деления , высвобождая три новых нейтрона и некоторую энергию связи.
Один из этих нейтронов поглощается атомом урана-238 и не продолжает реакцию. Другой нейтрон просто теряется и ни с чем не сталкивается, также не продолжая реакцию. Однако один нейтрон действительно сталкивается с атомом урана-235, который затем делится и высвобождает два нейтрона и некоторую энергию связи.
Оба этих нейтрона сталкиваются с атомами урана-235, каждый из которых делится и высвобождает от одного до трех нейтронов, которые затем могут продолжить реакцию. Основная статья: Ядерная цепная реакция Некоторые тяжелые элементы, такие как уран , торий и плутоний , подвергаются как самопроизвольному делению - форме радиоактивного распада, так и индуцированному делению - форме ядерной реакции. Элементарные изотопы, которые подвергаются вынужденному делению при ударе свободным нейтроном , называются делящимися ; изотопы, которые подвергаются делению при ударе медленным тепловым нейтроном , также называются делящимися.
Несколько особенно делящихся и легко доступных изотопов в частности, 233 U, 235 U и 239 Pu называют ядерным топливом, потому что они могут поддерживать цепную реакцию и могут быть получены в достаточно больших количествах, чтобы быть полезными. Все делящиеся и делящиеся изотопы подвергаются небольшому спонтанному делению, которое высвобождает несколько свободных нейтронов в любой образец ядерного топлива. Такие нейтроны быстро вырвутся из топлива и станут свободными нейтронами со средним временем жизни около 15 минут, прежде чем они распадутся на протоны и бета-частицы.
Некоторые нейтроны будут воздействовать на ядра топлива и вызывать дальнейшие деления, высвобождая еще больше нейтронов. Если в одном месте собрано достаточно ядерного топлива или если нейтроны улетучиваются, то количество этих только что испускаемых нейтронов превышает количество нейтронов, выходящих из сборки, и будет иметь место устойчивая цепная ядерная реакция. Сборка, которая поддерживает устойчивую цепную ядерную реакцию, называется критической сборкой или, если сборка почти полностью сделана из ядерного топлива, критической массой.
Слово «критический» относится к пику в поведении дифференциального уравнения, которое определяет количество свободных нейтронов, присутствующих в топливе: если присутствует меньше критической массы, то количество нейтронов определяется радиоактивным распадом , но если если присутствует критическая масса или больше, то количество нейтронов контролируется физикой цепной реакции. Фактическая масса из критической массы ядерного топлива сильно зависит от геометрии и окружающих материалов. Не все делящиеся изотопы могут поддерживать цепную реакцию.
Например, 238 U, самая распространенная форма урана, расщепляется, но не расщепляется: он подвергается вынужденному делению при столкновении с энергичным нейтроном с кинетической энергией более 1 МэВ. Однако слишком мало нейтронов, образующихся при делении 238 U, достаточно энергичны, чтобы вызвать дальнейшее деление 238 U, поэтому цепная реакция с этим изотопом невозможна. Вместо этого бомбардировка 238 U медленными нейтронами заставляет его поглощать их превращаясь в 239 U и распадаться за счет бета-излучения до 239 Np, который затем снова распадается тем же процессом до 239 Pu; этот процесс используется для производства 239 Pu в реакторах-размножителях.
Производство плутония на месте также способствует нейтронной цепной реакции в других типах реакторов после того, как было произведено достаточное количество плутония-239, поскольку плутоний-239 также является делящимся элементом, который служит топливом. Подсчитано, что до половины энергии, производимой стандартным реактором "без размножителя", производится за счет деления плутония-239, производимого на месте, в течение всего жизненного цикла топливной загрузки. Делящиеся, неделящиеся изотопы могут использоваться в качестве источника энергии деления даже без цепной реакции.
Бомбардировка 238 U быстрыми нейтронами вызывает деление с высвобождением энергии, пока присутствует внешний источник нейтронов. Это важный эффект во всех реакторах, где быстрые нейтроны делящегося изотопа могут вызывать деление близлежащих ядер 238 U, что означает, что некоторая небольшая часть 238 U «сгорает» во всех ядерных топливах, особенно в реакторах на быстрых нейтронах. Тот же самый эффект быстрого деления используется для увеличения энергии, выделяемой современным термоядерным оружием , путем покрытия оружия 238 U для реакции с нейтронами, высвобождаемыми ядерным синтезом в центре устройства.
Но взрывные эффекты цепных реакций ядерного деления можно уменьшить, используя такие вещества, как замедлители, которые замедляют скорость вторичных нейтронов.
Эквивалентная доза — произведение поглощенной дозы на коэффициент качества излучения. Единицы измерения эквивалентной дозы: Зиверт Зв — это единица измерения эквивалентной дозы, любого вида излучения, которое создает такой же биологический эффект, как и поглощенная доза в 1 Гр рентгеновского или гамма-излучения. Бэр внесистемная единица — это такое количество энергии ионизирующего излучения, поглощенное 1 кг биологической ткани, при котором наблюдается тот же биологический эффект, что и при поглощенной дозе 1 рад рентгеновского или гамма-излучения. Наименование «бэр» образовано по первым буквам словосочетания «биологический эквивалент рентгена». До недавнего времени при расчёте эквивалентной дозы использовались «коэффициенты качества излучения» К — поправочные коэффициенты, учитывающие различное влияние на биологические объекты различную способность повреждать ткани организма разных излучений при одной и той же поглощённой дозе. Сейчас эти коэффициенты в Нормах радиационной безопасности НРБ-99 назвали — «взвешивающие коэффициенты для отдельных видов излучения при расчёте эквивалентной дозы WR ». Их значения составляют соответственно: рентгеновское, гамма, бета-излучение, электроны и позитроны — 1; протоны с Е более 2 Мэв — 5; нейтроны с Е менее 10 кэв — 5; нейтроны с Е от 10 кэв до 100 кэв — 10; альфа-частицы, осколки деления, тяжёлые ядра — 20 и т. Эффективная эквивалентная доза — эквивалентная доза, рассчитанная с учётом разной чувствительности различных тканей организма к облучению; равна эквивалентной дозе, полученной конкретным органом, тканью с учётом их веса , умноженной на соответствующий «коэффициент радиационного риска». Эти коэффициенты используются в радиационной защите для учёта различной чувствительности разных органов и тканей в возникновению стохастических эффектов от воздействия излучения.
В НРБ-99 их называют «взвешивающими коэффициентами для тканей и органов при расчёте эффективной дозы». Для оценки полной эффективной эквивалентной дозы, полученной человеком, рассчитывают и суммируют указанные дозы для всех органов. Для измерения эквивалентной и эффективной эквивалентной доз в системе СИ используется та же единица — Зиверт Зв. Иными словами, это такая поглощённая доза, при которой в 1 кг вещества выделяется энергия в 1 Дж. Внесистемная единица — Бэр. Ещё в 50-х годах было установлено, что если при экспозиционной дозе в 1 рентген воздух поглощает приблизительно столько же энергии, что и биологическая ткань. Кроме того, для оценки воздействия ИИ используют понятия: Мощность дозы — доза, полученная за единицу времени сек. Фон — мощность экспозиционной дозы ионизирующего излучения в данном месте. Естественный фон — мощность экспозиционной дозы ионизирующего излучения, создаваемая всеми природными источниками ИИ. Источники поступления радионуклидов в окружающую среду 1.
Естественные радионуклиды, которые сохранились до нашего времени с момента их образования возможно, со времени образования солнечной системы или Вселенной , так как у них велики периоды полураспада, а значит, велико время жизни. Радионуклиды осколочного происхождения, которые обра-зуются в результате деления ядер атомов. Образуются в ядерных реакторах, в которых осуществляется управляемая цепная реакция, а также при испытаниях ядерного оружия неуправляемая цепная реакция. Радионуклиды активационного происхождения образуются из обычных стабильных изотопов в результате активации, то есть при попадании в ядро стабильного атома субатомной частицы чаще — нейтрона , в результате чего стабильный атом становится радиоактивным. Получают активацией стабильных изотопов, помещая их в активную зону реактора, либо бомбардировкой стабильного изотопа в ускорителях элементарных частиц протонами, электронами и т. Области применения радионуклидных источников Источники ИИ находят применение в промышленности, сельском хозяйстве, научных исследованиях и медицине. Только в медицине используются приблизительно сто изотопов для различных медицинских исследований, постановки диагноза, стерилизации и радиотерапии. Во всем мире во многих лабораториях используются радиоактивные материалы для научных исследований. Термоэлектрические генераторы на радиоизотопах применяются для производства электроэнергии для автономного энергопитания различной аппаратуры в удаленных и труднодоступных районах радио-и световые маяки, метеостанции. Повсеместно в промышленности используются приборы, содержащие радиоактивные источники для контроля технологических процессов плотно-, уровне- и толщиномеры , приборы неразру-шающего контроля гамма-дефектоскопы , приборы для анализа состава вещества.
Излучение используется для повышения размера и качества урожая. Эффекты радиации Радиоактивные частицы, обладая огромной энергией и скоростью, при прохождении через любое вещество сталкиваются с атомами и молекулами этого вещества и приводят к их разрушению, ионизации, к образованию «горячих» ионов и свободных радикалов. Из ионов и свободных радикалов образуются вредные для организма соединения, которые запускают целую цепь последовательных биохимических реакций и постепенно приводят к разрушению клеточных мембран стенок клеток и других структур. Радиация по-разному действует на людей в зависимости от пола и возраста, состояния организма, его иммунной системы и т. При воздействии радиации скрытый инкубационный, латентный период, то есть время задержки до наступления видимого эффекта, может продолжаться годами и даже десятилетиями. Воздействие радиации на организм человека и биологические объекты вызывает три различных отрицательных эффекта: генетический эффект для наследственных половых клеток организма.
Проблемы их проведения следующие. Для протекания ЦЯРД нужно несколько десятков килограмм очищенного или обогащённого 235U, иначе практически вся энергия нейтронов уходит на столкновение с ураном-238.
Вторая беда — неуправляемость процессом. В области деления урана температура повышается до миллионов градусов, мгновенно испаряя все вещества вокруг. Образуется раскалённый газообразный шар, сносящий и сжигающий всё вокруг. Контролировать процесс научились благодаря установкам, названным ядерными реакторами. Поделитесь в социальных сетях:.
Стадии процесса деления[ править править код ] Условное схематическое изображение стадий процесса деления r — расстояние между образовавшимися ядрами, t — время протекания стадий Деление начинается с образования составного ядра. Часть энергии деления переходит в энергию возбуждения осколков деления, которые ведут себя как любые возбуждённые ядра — либо переходят в основные состояния, излучая гамма-кванты, либо испускают нуклоны и превращаются в новые ядра, которые также могут оказаться в возбуждённом состоянии и их поведение будет аналогично поведению ядер, образовавшихся при делении исходного составного ядра. Испускание ядром нуклона возможно лишь в случае, когда энергия возбуждения превышает энергию связи нуклона в ядре, тогда он испускается с большей вероятностью, чем гамма-квант, так как последний процесс протекает гораздо медленнее электромагнитное взаимодействие намного слабее ядерного. Чаще всего испускаемым нуклоном является нейтрон, так как ему не нужно преодолевать кулоновский барьер при вылете из ядра, а для осколков деления это ещё вероятнее, так как они перегружены нейтронами, что приводит к понижению энергии связи последних. В результате практически мгновенно после деления составного ядра осколки деления испускают два или три нейтрона, которые принято называть мгновенными. В дальнейшем движение осколков деления не связано с их превращениями. Так как они увлекают за собой не все электроны исходного атома, из них образуются многозарядные ионы , кинетическая энергия которых тратится на ионизацию и возбуждение атомов среды, что вызывает их торможение. В результате ионы превращаются в нейтральные атомы с ядрами в основных энергетических состояниях. Такие атомы называются продуктами деления.
Деление ядра атома урана
Такая реакция протекает с выделением большого количества энергии. Вот поиском способа провести самоподдерживающуюся цепную реакцию и занялись Ферми и его коллеги. Через пару лет они смогли перейти от теоретической проработки к экспериментам. Однако для этого нужно было построить ядерный реактор. Реактор действительно напоминал поленницу лучше не скажешь из брикетов прессованного оксида урана и графитовых блоков. По мере сооружения реактора ученые проводили измерения и отслеживали, насколько близко они подошли к критической массе, необходимой для начала реакции. Она была достигнута 1 декабря.
Например, такому распаду подвержен изотоп плутония 240Pu, в отличие от 239Pu с меньшей скоростью деления. Для этого необходимо иметь определенное минимальное количество делящегося изотопа, который будет поддерживать реакцию. Это количество называют критической массой. Чтобы достичь критической массы и повысить вероятность распада, требуется достаточное количество исходного материала. Поскольку в свободном виде субатомные частицы встречаются довольно редко, часто необходимо отделить их от атомов, содержащих эти частицы. Один из способов сделать это заключается в том, чтобы выстрелить одним атомом изотопа по другому такому же атому. Похожее на пушку орудие с урановым сердечником выстреливало атомы 235U в мишень из таких же атомов 235U.
Это означает, что ядра осколков сильно перегружены нейтронами, и они будут стремиться избавиться от этой перегрузки путем бета-распадов, при которых нейтроны превращаются в протоны. При этом, для того, чтобы первичный осколок превратился в стабильный нуклид, может потребоваться несколько последовательных бета-распадов, образующих целую цепочку, например: стабилен. Здесь под стрелочками приведены периоды полураспада нуклидов: s-секунды, h-часы, y-годы. Заметим, что осколком деления принято называть только самое первое ядро, непосредственно возникающее при делении ядра урана в данном случае — 135Sb. Все остальные нуклиды, возникающие в результате бета-распадов, вместе с осколками и стабильными конечными нуклидами, называют продуктами деления. Поскольку вдоль цепочки массовое число не изменяется, то всего таких цепочек при делении ядер урана может образоваться столько, сколько может возникнуть массовых чисел, то есть примерно 90. А так как в каждой цепочке содержится в среднем 5 радиоактивных нуклидов, то всего среди продуктов деления можно насчитать около 450 радионуклидов с самыми различными периодами полураспада от долей секунды до миллионов лет. В ядерном реакторе накопление продуктов деления создает определенные проблемы, так как во-первых, они поглощают нейтроны и тем самым затрудняют протекание цепной реакции деления, а во-вторых, из-за их бета-распада возникает остаточное тепловыделение, которое может продолжаться очень долго после остановки реактора в остатках чернобыльского реактора тепловыделение продолжается и поныне. Значительную опасность радиоактивность продуктов деления создает и для человека. Вторичные нейтроны деления. Нейтроны, вызывающие деление ядер, называются первичными, а нейтроны, возникающие при делении ядер — вторичными.
Что касается геологической составляющей, то я считаю, что предложенная концепция пока не подтверждается фактическим материалом. Пушкарев, д. Расчеты показали, что теоретически существуют разные сценарии работы реактора. По некоторым из них его активность могла давно прекратиться, по другим — продолжаться до настоящего времени. Максимальная продолжительность возможна в режиме воспроизводства делящихся нуклидов. В результате содержание легко делящегося урана-235 поддерживается на достаточно высоком уровне, и получается реактор-размножитель на быстрых нейтронах. Ряд глобальных явлений на Земле носит циклический характер с периодом в сотни тысяч и миллионы лет. О причинах этих колебаний нет единого мнения. По обломочным окаменевшим моренам и ледниково-морским осадкам, обнаруженным на всех континентах, ученые восстановили ледниковую историю Земли за последние 2,5 млрд лет. В течение этого времени Земля пережила четыре ледниковые эры, каждая эра состояла из ледниковых периодов, а период — из ледниковых эпох. Периодичность потеплений-похолоданий, соответствующая смене ледниковых эпох, составляет около 100 тыс. Подробнейшая информация о палеоклимате получена при бурении ледниковых щитов в Антарктиде. Каково значение этого факта? Дело в том, что изверженные породы, застывая, намагничиваются в соответствии с существующим на тот момент направлением магнитного поля. Таким образом, эта «законсервированная» в породе намагниченность наглядно продемонстрировала, что в прошлом поле было другим. Замеры следов магнитного поля в горных породах различного возраста показали, что на протяжении геологической истории Земли оно меняло знак много-много раз. Инверсии происходили через интервалы времени от десятков тысяч до миллионов лет средний период — 250 тыс. Почему происходит смена магнитных полюсов? Магнитное поле планеты формируется благодаря циркуляции расплавленного железа во внешнем ядре. Движение электропроводящей жидкости в магнитном поле создает самоподдерживающуюся систему, своего рода геодинамо. Но для образования мощных переменных течений в ядре, приводящих к изменению магнитного поля, необходимы и мощные нестационарные источники тепла. Вполне подходящими кандидатами на эту роль опять-таки являются природные ядерные реакторы Вполне естественно предположить, что при работе реактора из-за тепловыделения возникают конвективные потоки, вызывающие разрыхление активной зоны. В какой-то момент цепная реакция деления останавливается. Когда выделение тепла прекращается и конвективные потоки ослабевают, уран медленно оседает — цепная реакция возобновляется. Таким образом, геореактор может работать и в импульсном режиме. Определяющим показателем хода цепной реакции является коэффициент размножения нейтронов k, который равен отношению числа нейтронов, вновь образовавшихся в реакциях деления, к количеству нейтронов, поглощенных в ходе реакции либо покинувших активную зону. Тогда в каждом новом поколении нейтронов становится все больше, и они, в свою очередь, вызывают все больше делений ядер. Возникает лавинообразный процесс. Согласно проведенным расчетам максимально возможный коэффициент размножения ведет себя следующим образом: вначале он падает в течение 1 млрд лет, однако затем более-менее стабилизируется и остается больше единицы вплоть до настоящего времени. Представляется, что более вероятен импульсный сценарий работы реактора, когда периоды активности перемежаются периодами «простоя». Так, как это было в маленьком природном реакторе Окло, но только с большей продолжительностью циклов. По мнению авторов, временные характеристики рассчитанного импульсного режима можно соотнести с рядом периодических явлений, наблюдаемых на поверхности Земли, таких как глобальные изменения климата или смена магнитных полюсов. Откуда летят геонейтрино? Сторонники точки зрения, что Земля является ядерным реактором, сегодня связывают особые надежды с электронным антинейтрино. Нейтрино практически не реагируют с веществом и поэтому обладают огромной проникающей способностью, почти без потерь проходя через все тело Земли. Их регистрация — сложная научная и техническая задача. В течение двух лет ученые зафиксировали 152 события, но после отсечения фона осталось всего 25 — по одному в месяц. Главными источниками фона оказались промышленные реакторы Японии и Южной Кореи. Полное число антинейтрино может быть частично связано с мощностью действующего геореактора и частично — с естественным распадом различных нестабильных ядер в недрах Земли. Из данных KamLAND следует, что полная плотность потока геонейтрино составляет примерно 16 млн частиц в секунду на кв. Это соответствует источнику тепла, порождаемого ядерными реакциями, мощностью от 24 до 60 ТВт. Первое из двух чисел оказалось близким к величине «избыточного» тепла, излучаемого Землей, о котором шла речь выше. И многие специалисты склоняются к мнению, что это объяснение наиболее правдоподобно. Энергетические спектры нейтрино, образующихся при делении разных ядер, отличаются. Русов с коллегами выполнили компьютерное моделирование и определили спектральные составляющие геонейтрино от различных внутренних источников — урана-238, тория-232, плутония-239. Суммарную мощность геореактора они оценили в 30 ТВт. Результаты этой работы также свидетельствуют в пользу импульсного режима размножения.
Физика атома и ядра. Слепцов И.А., Слепцов А.А.
Учёные с мировым именем провели исследования и наконец поняли принцип вращения атомных ядер после того, как происходит их деление. Атомный взрыв возможен при расщеплении нестабильных атомов (в основном радиоактивные вещества) А более стойкие атомы расщепить почти невозможно, слишком много энергии. Международная группа ученых выяснила, как именно вращаются атомные ядра после их деления, сообщает МедиаПоток.
Ядерное деление
РУВИКИ: Интернет-энциклопедия — Деление ядра — процесс расщепления атомного ядра на два (реже три) ядра с близкими массами, называемых осколками деления. Процесс деления атомного ядра можно объяснить на основе капельной модели ядра. Газ, скапливающийся в ядерном топливе в результате реакций деления, может быстро выходить из него благодаря давлению атомов топлива. Новости Новости. Деление атомов.
Физика атома и ядра. Слепцов И.А., Слепцов А.А.
поделиться новостью. Деление атома. В этом выпуске поговорим о том, с чего началось освоение ядерной энергии: о механизме ядерных реакций, об открытии цепных реакций деления атомных ядер и возможности. При расщеплении (делении) урана высвобождается три нейтрона, которые сталкиваются с другими атомами урана, в результате чего возникает цепная реакция.
Закон деления атома
После того, как расщепление было обнаружено, физики начали теоретизировать, почему образуется шейка и приводит к расщеплению ядра. Кроме того, они начали задаваться вопросом: началось ли вращение фрагментов до или после разрыва. В рамках этой новой попытки исследователи провели эксперименты, показавшие, что вращение начинается после разрыва. Работа включала изучение осколков, образовавшихся в результате деления нескольких типов нестабильных элементов, таких как уран-238 и торий-232.
В рамках своего исследования они внимательно изучили гамма-лучи, выделяющиеся после деления. Ученые заметили, что эти лучи передают информацию о вращении изучаемых фрагментов.
Майтнер и О. Вскоре Ф. Жолио-Кюри с сотрудниками и одновременно Э. Ферми с сотрудниками обнаружили, что при делении испускается несколько нейтронов т. Это послужило основой для выдвижения идеи самоподдерживающейся ядерной цепной реакции и использования деления атомного ядра в качестве источника энергии.
В 1939 г. Бором и Дж.
Пытливые умы хотят знать: как он получил эти химикаты? И если бы Ричард Хэндл оставил наедине со своими собственными устройствами, он мог разделить атомы на своей кухне? Кент Хансен, почетный профессор ядерной науки и техники в Массачусетском технологическом институте, так не считает. Во-первых, по словам Тома Юинга, ученого-ядерщика из Аргоннской национальной лаборатории за пределами Чикаго, у Хэндла не было подходящего сырья. Радий не делится и не расщепляется при бомбардировке нейтронами. Чтобы заставить америций работать, вам нужен сложный ядерный реактор, а в обедненном уране содержится мало нужного количества для ядерного деления: U-235. Подавляющее большинство урана в природе - это другой вид, U-238. Никто не может сделать это на своей кухне».
Ядерное деление тяжелых элементов производит энергию, потому что удельная энергия связи энергия связи на единицу массы ядер промежуточных масс с атомными номерами и атомными массами, близкими к 61Ni и 56Fe больше, чем удельная энергия связи очень тяжелых ядер, поэтому энергия выделяется при разрыве тяжелых ядер. Суммарные массы остатков продуктов деления Мп от единичной реакции меньше массы исходного топливного ядра М. Неравные деления энергетически более выгодны, потому что это позволяет одному продукту быть ближе к энергетическому минимуму около массы 60. Изменение удельной энергии связи в зависимости от атомного номера происходит из-за взаимодействия двух фундаментальных сил, действующих на составляющие нуклоны протоны и нейтроны , составляющие ядро.
Ядра связаны сильным притягивающим ядерным взаимодействием между нуклонами, которое преодолевает электростатическое отталкивание между протонами. Однако сильное ядерное взаимодействие действует только на очень коротких дистанциях, поскольку оно следует за потенциалом Юкавы. По этой причине большие ядра менее тесно связаны на единицу массы, чем маленькие ядра, и разбиение очень большого ядра на два или более ядер среднего размера высвобождает энергию. Из-за малого радиуса действия сильной связывающей силы большие ядра должны содержать пропорционально больше нейтронов, чем легкие элементы, которые наиболее стабильны при соотношении протонов и нейтронов 1-1.
Дополнительные нейтроны стабилизируют тяжелые элементы, потому что они усиливают сильное связывание, не увеличивая протон-протонное отталкивание. В продуктах деления в среднем примерно такое же соотношение нейтронов и протонов, что и в их родительском ядре, и поэтому они обычно нестабильны, поскольку имеют пропорционально слишком много нейтронов по сравнению со стабильными изотопами аналогичной массы. Это основная причина проблемы высокоактивных радиоактивных отходов ядерных реакторов. Продукты деления, как правило, являются бета-излучателями, излучающими быстро движущиеся электроны для сохранения электрического заряда, поскольку избыточные нейтроны превращаются в протоны внутри ядра атомов продуктов деления.
Наиболее распространенные виды ядерного топлива, 235U и 239Pu, сами по себе не представляют серьезной радиологической опасности: 235Период полураспада U составляет около 700 миллионов лет, и хотя 239Период полураспада Pu составляет всего около 24000 лет, он является чистым эмиттером альфа-частиц и, следовательно, не особенно опасен, если его не проглотить. После использования топливного элемента оставшийся топливный материал тщательно смешивается с высокорадиоактивными продуктами деления, которые испускают энергичные бета-частицы и гамма-лучи. У некоторых продуктов деления период полураспада составляет всего секунды; у других периоды полураспада составляют десятки тысяч лет, что требует длительного хранения в таких объектах, как гора Юкка, до тех пор, пока продукты деления не распадутся на нерадиоактивные стабильные изотопы. Цепные реакции Многие тяжелые элементы, такие как уран, торий и плутоний, подвергаются как спонтанному делению, форме радиоактивного распада, так и индуцированное деление, форма ядерной реакции.
Элементарные изотопы, которые подвергаются индуцированному делению при ударе свободным нейтроном, называются делящимися; изотопы, которые подвергаются делению при ударе теплового, медленно движущегося нейтрона, также называются делящимися. Несколько особенно делящихся и легко доступных изотопов особенно 235U и 239Pu называют ядерным топливом, потому что оно может поддерживать цепную реакцию и может быть получено в достаточно больших количествах, чтобы быть полезным. Все делящиеся и делящиеся изотопы подвергаются небольшому спонтанному делению, которое выделяет несколько свободных нейтронов в любой образец ядерного топлива. Такие нейтроны быстро выходят из топлива и становятся известными как свободные нейтроны с периодом полураспада около 15 минут, прежде чем они распадутся на протоны и бета-частицы.
Однако нейтроны почти всегда сталкиваются и поглощаются другими ядрами, находящимися поблизости, задолго до того, как это происходит вновь созданные нейтроны деления движутся со скоростью примерно 7 процентов от скорости света, и даже замедленные нейтроны движутся примерно в 8 раз быстрее, чем это происходит. Некоторые нейтроны будут воздействовать на ядра топлива и вызывать дальнейшие деления, высвобождая еще больше нейтронов. Если достаточное количество ядерного топлива собрано в одном месте или если нейтроны улетучиваются в достаточной степени, то количество этих только что сгенерированных нейтронов превышает количество нейтронов, выходящих из сборки, и устойчивая цепная ядерная реакция состоится. Сборка, которая поддерживает устойчивую цепную ядерную реакцию, называется критической сборкой или, если сборка почти полностью сделана из ядерного топлива, критической массой.
Слово «критический» относится к пику в поведении дифференциального уравнения, которое определяет количество свободных нейтронов, присутствующих в топливе: если присутствует меньше критической массы, то количество нейтронов определяется радиоактивным распадом, но если если присутствует критическая масса или больше, то количество нейтронов контролируется физикой цепной реакции. Фактическая масса критическая масса ядерного топлива сильно зависит от геометрии и окружающих материалов. Не все делящиеся изотопы могут поддерживать цепную реакцию. Например, 238U, самая распространенная форма урана, расщепляется, но не расщепляется: он подвергается индуцированному делению при столкновении с энергичным нейтроном с кинетической энергией более 1 МэВ.
Но слишком мало нейтронов, производимых 238Деление урана достаточно энергично, чтобы вызвать дальнейшее деление в 238U, поэтому цепная реакция с этим изотопом невозможна. Вместо этого бомбардировка 238U с медленными нейтронами заставляет его поглощать их становясь 239U и распад бета-излучением до 239Np, который затем снова распадается тем же процессом до 239Pu; этот процесс используется для производства 239Pu в реакторах-размножителях, но не участвует в цепной нейтронной реакции. Делящиеся, неделящиеся изотопы могут использоваться в качестве источника энергии деления даже без цепной реакции. Бомбардировка 238U с быстрыми нейтронами вызывает деление, высвобождая энергию, пока присутствует внешний источник нейтронов.
Этот эффект используется для увеличения энергии, выделяемой современным термоядерным оружием, путем покрытия оружия оболочкой. Реакторы деления Реакторы критического деления являются наиболее распространенным типом ядерных реакторов. В критическом реакторе деления нейтроны, образующиеся при делении атомов топлива, используются, чтобы вызвать еще большее количество делений, чтобы поддерживать контролируемое количество высвобождения энергии. Устройства, которые производят спроектированные, но несамостоятельные реакции деления, являются подкритические реакторы деления.
КАК РАБОТАЕТ ЯДЕРНОЕ ОРУЖИЕ?
ЯДЕР ДЕЛЕНИЕ, ядерная реакция, в которой атомное ядро при бомбардировке нейтронами расщепляется на два или несколько осколков. Деление тяжелых атомных ядер является источником энергии в ядерных реакторах и ядерном оружии. Деление атомных ядер тяжелых элементов возможно благодаря тому, что удельная энергия связи этих ядер меньше удельной энергии связи ядер элементов. В отличие от Европы США не собираются отказываться от мирного атома и по мере сил восстанавливают пробелы. В этом опыте взрывной характер деления атома урана следовал из того, что два продукта деления разлетались в противоположные стороны с очень большой скоростью. В конце 1938 года из Старого света пришла новость о том, что два немецких ученых, Отто Ган и Фриц Штрассман, открыли реакцию деления атомного ядра.