ЯДЕР ДЕЛЕНИЕ, ядерная реакция, в которой атомное ядро при бомбардировке нейтронами расщепляется на два или несколько осколков. Резерфорд много сделал для изучения строения атома и внес вклад и в исследование того, как происходит деление ядра атома. Ученые из Германии продемонстрировали квантовую запутанность двух атомов, разделенных 33 км оптоволоконного кабеля. Они сообщили о делении атомов пяти различных элементов – алюминия, бора, натрия, бериллия и лития – и полученная энергия более чем в три раза превышала то, что затратили.
Деление ядер урана. Цепная ядерная реакция
входящие в G7, договорились объединиться с целью вытеснить Россию с международного рынка а Смотрите видео онлайн «Деление атома: перспективы международного рынка. Ядерное деление-это реакция, при которой ядро атома распадается на два или более меньших ядра. Делением атомных ядер называется процесс раскалывания ядра на две примерно равные части. В критическом реакторе деления нейтроны, образующиеся при делении атомов топлива, используются, чтобы вызвать еще большее количество делений.
Ядерная энергетика: как утилизировать уран?
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. Ядерные реакторы на АЭС, атомных судах и подводных лодках используют деление ядер урана (иногда вместе с плутонием). Процесс деления атомного ядра можно объяснить на основе капельной модели ядра. поделиться новостью. Деление атома. это процесс, при котором атом распадается на два, образуя два атома меньшего размера и огромное количество энергии.
История науки: поленница для мирного атома
Ядерное деление — это реакция, в ходе которой ядро атома расщепляется на два или более меньших ядра, при этом происходит высвобождение энергии. это ядерная реакция или радиоактивный распад, в котором ядро атома расщепляется на два или более меньших и более легких ядра. Пределы деления атома: Согласно принципам квантовой механики, есть нижний предел, достигнутый в элементарных частицах, таких как кварки или лептоны.
Разница между ядерным делением и синтезом
Цепная ядерная реакция – самоподдерживающаяся реакция деления тяжёлых ядер, в которой непрерывно воспроизводятся нейтроны, делящие всё новые и новые ядра. Деление атомных ядер — их распад на 2-3 осколка с высвобождением энергии. Цепная ядерная реакция – это процесс деления тяжелых ядер, при котором деление воспроизводится снова и снова. Тот же принцип цепной реакции деления, только без особенного контроля, работает и в атомной бомбе.
Физика. 9 класс
Ничто никогда не возникает из ничего, поэтому было ясно, что единственным источником этих элементов был атом урана. Это означало, что нейтрон расщепил ядро тяжелого атома урана на три почти равные части — барий, лантан и церий, каждый из которых являлся одним из осколков ядра урана. Так оно и было в действительности, как об этом через несколько недель узнал изумленный мир. Но Ган и Штрассман были химиками и хорошо знали, что в соответствии с общепринятыми концепциями физики расщепление атома урана было невероятным. Для них, химиков, было слишком большой самоуверенностью бросать вызов таким прославленным именам в области физики, как Эйнштейн, Планк, Бор и Ферми. Как через несколько лет сказал мне Ган, «физики бы этого не позволили». Однако как химики они были уверены, что радиоактивные изотопы бария, лантана и церия, безусловно, созданы в результате бомбардировки урана нейтронами, хотя их истинная природа все еще оставалась неясной для физиков. Как бы то ни было, Ган и Штрассман сознавали, что сделали великое открытие, которое должно проложить путь к новым областям знаний. И они отдавали себе отчет в том, что соревнуются со своим старым соперником — Ирен Жолио-Кюри, которая в любую минуту может понять свою ошибку и объявить всему миру, что она получила лантан из урана и, возможно, расщепила атом урана. Поэтому, даже не закончив полностью свои опыты, Ган и Штрассман подготовили детальный научный доклад о проведенных ими эпохальных опытах, проявляя при этом большую осторожность, чтобы не наступить на пятки своим коллегам-физикам. Описав свое открытие, ученые сделали заключение, которое являлось одним из самых странных в анналах истории науки, что они лишь сообщают результаты своих наблюдений, но отказываются делать из них какие-либо выводы.
В сущности, Ган и Штрассман заявили, что как химики они могут лишь сообщить, что три элемента, которые ранее принимали за радий, на деле являются барием, лантаном и церием. Однако добавили, проявляя тем самым пример интеллектуальной осторожности, что «как ядерные химики, тесно примыкающие к физикам», они не могут заставить себя «совершить этот скачок, столь противоречащий всем явлениям, до сих пор наблюдавшимся в ядерной физике». Оградив себя, таким образом, от любой насмешки со стороны ядерщиков, они все же решили поспешить с утверждением своего приоритета на открытие. Поэтому 22 декабря 1938 г. Ган и Штрассман направили свой исторический доклад в немецкий научный еженедельник «Ди Натюрвиссеншафтен». Чтобы убедиться в том, что доклад будет напечатан в самом скором времени, Ган позвонил директору издательства, доктору Паулю Розбауду, своему личному другу. Доктор заверил его, что статья появится в выпуске от 6 января 1939 г. Этот срок был значительно короче срока, обычного для научных публикаций, но для Гана он показался бесконечным. Ведь за эти две недели Ирен Жолио-Кюри в любой день могла перехватить великий приз из его рук!
Уилером и независимо от них Я. Френкелем была построена первая теория деления ядер. В 1940 г. Флёров и К. Петржак открыли спонтанное деление ядер. Вторая мировая война и возможное военное применение деления атомного ядра привели к прекращению на долгое время публикаций по физике деления ядра. Теория деления ядер В рамках капельной модели ядра атомное ядро рассматривается как капля равномерно заряженной несжимаемой жидкости.
Нейтроны — герои реактора Атом состоит из трёх основных элементов: электронов, протонов и нейтронов. Электроны — это маленькие частицы, которые вращаются вокруг ядра атома. Они носят отрицательный электрический заряд и участвуют в создании электричества и химических реакциях. Протоны — такие же частицы, но с положительным зарядом. Они находятся в ядре атома. Их задача — удержать электроны внутри атома. Это возможно благодаря электрическому заряду. Положительный заряд протонов притягивает отрицательные электроны. Сила этого притяжения помогает удерживать электроны вокруг ядра, образуя атом и сохраняя его структуру. Нейтроны — частицы без электрического заряда. Их задача — «связывать» протоны друг с другом в ядре, не давая им отталкиваться. От нейтронов зависит стабильность атомов. В цепной ядерной реакции в контексте атомной энергетики нейтроны играют важную роль. Как устроена атомная электростанция Заставляют атомы в ядерном топливе делиться. Когда нейтрон сталкивается с атомным ядром, это вызывает деление атома, сопровождаясь высвобождением энергии и дополнительных нейтронов. Распространяют реакции. Высвобожденные нейтроны сталкиваются с другими атомами и вызывают их деление. Это порождает дополнительные нейтроны, которые вызывают деление других атомов, и так далее. Благодаря этому энергия в ядерных реакторах высвобождается постоянно. Как графитовые стержни замедляют нейтроны В ядерных реакциях нейтроны высвобождаются с высокой скоростью. Причина — в сильной связи протонов и нейтронов внутри ядра.
Энергия, выделяемая при разделении ядерных частиц, используется в качестве источника энергии с середины XX века. Хотя при производстве энергии не выделяются такие же опасные парниковые газы, как при сжигании ископаемого топлива, опасения по поводу риска расплавления , опасных отходов долговременного хранения и стоимости строительства означают, что атомное будущее, о котором многие мечтали в прошлом, может оказаться недостижимым. Как деление ядер используется для получения атомной энергии? Проведённые в 1930-х годах эксперименты по бомбардировке атомов ядерными частицами привели к созданию моделей деления, которые обещали, что из нужных изотопов тяжёлых элементов, таких как уран, может высвобождаться значительное количество энергии. Теория предсказывала, что уран-235 с гораздо большей вероятностью подвергнется делению, чем другие изотопы, особенно если нейтроны, ударяющие в его ядро, движутся с относительно низкой скоростью. Выделение дополнительных нейтронов в процессе деления может привести к тому, что другие близлежащие атомы урана-235 также начнут распадаться. Для возникновения такой цепной реакции необходима относительно высокая плотность атомов урана-235, которую называют «критической массой» материала. К концу 1930-х годов физики разработали методы замедления нейтронов, достаточные для захвата и обогащения смесей изотопов урана из природных ресурсов с образованием критической массы урана-235. Они также придумали, как контролировать цепную реакцию, чтобы экспоненциальное производство нейтронов не вышло из-под контроля, в случае чего процесс мог бы стать взрывоопасным. В течение последующего десятилетия технологические достижения в области деления ядер использовались для создания новых классов супероружия. Только после Второй мировой войны инженеры вновь обратили внимание на возможность использования процесса деления ядер для устойчивого производства тепла, пригодного для выработки электроэнергии. Подобно тому, как пар, получаемый при сжигании ископаемого топлива в котле, вращает турбину, соединённую с электрогенератором, пар из «ядерного котла» также можно использовать для выработки электроэнергии. Градирни атомной электростанции во Франции С течением времени совершенствование технологий позволило повысить эффективность и безопасность, в некоторых случаях отказаться от замедления нейтронов, чтобы расщепляющийся материал мог захватывать более быстрые частицы. Сегодня в мире эксплуатируется около 440 атомных электростанций, из них только в США - около 100. Однако существуют издержки, которые могут ограничить возможности использования атомной энергии для спасения от климатического кризиса. В чём проблема ядерной энергетики?
Деление атома
Высокоактивные отходы содержат изотопы, радиоактивность которых может снизиться за тысячи лет до уровня, примерно соответствующего уровню радиоактивности руды, из которой они были получены. В настоящее время в мире хранится более четверти миллиона тонн высокорадиоактивных отходов, ожидающих захоронения или переработки. Так ли это плохо? Хотя хранящиеся ядерные отходы не представляют непосредственной угрозы, если они хорошо изолированы, вопросы долгосрочного обращения с ними, а также возможность неправильного обращения и несчастных случаев делают хранение растущего количества ядерных отходов неоднозначной проблемой. Массивные контейнеры хранят отработанное ядерное топливо в надёжных и безопасных сухих хранилищах Одним из видов отходов можно считать и выбросы углерода. Хотя процесс деления и преобразования ядерной энергии в электричество относительно свободен от выбросов углерода, общий бюджет углерода, связанный с добычей и переработкой руды, необходимой для деления, и строительством конкретной электростанции, не равен нулю. По некоторым оценкам , этот показатель значительно выше - от 10 до 130 граммов CO2 в отдельных случаях. Таким образом, замена угольных электростанций на атомные позволит ежегодно сберегать в атмосфере несколько миллионов тонн CO2, не говоря уже о твёрдых частицах и других загрязняющих веществах. Углеродный след солнечных и ветряных электростанций более или менее сопоставим с нижним пределом для атомной энергетики. В целом, атомная энергия в лучшем случае не содержит столько же углерода, сколько солнечная и ветровая, хотя и связана с непопулярной проблемой отходов, которую мало кто хочет иметь у себя под боком.
Риски Прошло более трёх десятилетий с тех пор, как советская Украина дала миру представление о том, как может выглядеть наихудший сценарий ядерной аварии. Чернобыльская АЭС, расплавившаяся во время технических испытаний в 1986 году, превратилась в радиоактивные руины на фоне отравленного радиоактивными осадками ландшафта. Саркофаг над остатками четвёртого блока Чернобыльской АЭС В 2011 году после землетрясения в Японии произошла авария на атомной станции "Фукусима". Подобные разрушительные события достаточно редки, чтобы о них можно было писать в шокирующих заголовках. Однако, по некоторым оценкам , такие аварии могут происходить раз в 10-20 лет, что в каждом случае чревато распространением радиоактивных веществ на сотни и даже тысячи километров. Насколько это может быть опасно?
Несмотря на кажущуюся невозможность, квантовая запутанность постоянно демонстрировалась в экспериментах на протяжении десятилетий, и ученые использовали ее причудливую природу для быстрой передачи данных на большие расстояния. В новом исследовании ученые из Мюнхенского университета Людвига-Максимилиана LMU и Саарского университета побили рекорд расстояния квантовой запутанности между двумя атомами, соединенных оптоволоконным кабелем. Каждый атом возбуждался лазерным импульсом, который заставлял его испускать фотон, квантово запутанный с атомом.
Сейчас же специалисты смогли объяснить данный процесс подробно. Понять детально данный принцип помогло расщепление ядер. Учёные взяли два радиоактивных элемента Торий-232 и Уран-238. Учёные знали, что ядра элементов при расщеплении удлиняются и образуют «шейку», которая в свою очередь тоже удлиняется и расщепляется. Специалистов волновал только один вопрос: вращение начинается до или после разрыва так называемой «шейки»?
Для естественных природных радионуклидов основными видами радиоактивного распада являются альфа- и бета-минус-распад. Названия «альфа» и «бета» были даны Эрнестом Резерфордом в 1900 году при изучении радиоактивных излучений. Для искусственных техногенных радионуклидов, кроме этого, характерны также нейтронный, протонный, позитронный бета-плюс и более редкие виды распада и ядерных превращений мезонный, К-захват, изомерный переход и др. Альфа-распад Это испускание из ядра атома альфа-частицы, которая состоит из 2 протонов и 2 нейтронов. Альфа распад В результате испускания альфа-частицы образуется новый элемент, который в таблице Менделеева расположен на 2 клетки левее, так как количество протонов в ядре, а значит, и заряд ядра, и номер элемента стали на две единицы меньше. А масса образовавшегося изотопа оказывается на 4 единицы меньше. Альфа—распад — это характерный вид радиоактивного распада для естественных радиоактивных элементов шестого и седьмого периодов таблицы Д. Менделеева уран, торий и продукты их распада до висмута включительно и особенно для искусственных — трансурановых — элементов. То есть этому виду распада подвержены отдельные изотопы всех тяжёлых элементов, начиная с висмута. Альфа распад Так, например, при альфа-распаде урана всегда образуется торий, при альфа-распаде тория — радий, при распаде радия — радон, затем полоний и наконец — свинец. При этом из конкретного изотопа урана-238 образуется торий-234, затем радий-230, радон-226 и т. Скорость альфа-частицы при вылете из ядра от 12 до 20 тыс. Бета-распад Бета-распад — наиболее распространённый вид радиоактивного распада и вообще радиоактивных превращений , особенно среди искусственных радионуклидов. У каждого химического элемента есть, по крайней мере, один бета-активный, то есть подверженный бета-распаду изотоп. Кроме К-40, значимыми естественными бета-активными радионуклидами являются также и все продукты распада урана и тория, то есть все элементы от таллия до урана. Бета-распад включает в себя такие виды радиоактивных превращений, как: бета-минус распад; бета-плюс распад; К-захват электронный захват. Бета-минус распад — это испускание из ядра бета-минус частицы — электрона, который образовался в результате самопроизвольного превращения одного из нейтронов в протон и электрон. При этом бета-частица со скоростью до 270 тыс. И так как протонов в ядре стало на один больше, то ядро данного элемента превращается в ядро соседнего элемента справа — с большим номером. Бета минус распад При бета-минус распаде радиоактивный калий-40 превращается в стабильный кальций-40 стоящий в соседней клетке справа. А радиоактивный кальций-47 — в стоящий справа от него скандий-47 тоже радиоактивный , который, в свою очередь, также путём бета-минус распада превращается в стабильный титан-47. Бета-плюс распад — испускание из ядра бета-плюс частицы — позитрона положительно заряженного «электрона» , который образовался в результате самопроизвольного превращения одного из протонов в нейтрон и позитрон. В результате этого так как протонов стало меньше данный элемент превращается в соседний слева в таблице Менделеева. Бета распад Например, при бета-плюс распаде радиоактивный изотоп магния магний-23 превращается в стабильный изотоп натрия стоящего слева — натрий-23, а радиоактивный изотоп европия — европий-150 превращается в стабильный изотоп самария — самарий-150. Нейтронный распад Нейтронный распад — испускание из ядра атома нейтрона. Характерен для нуклидов искусственного происхождения. При испускании нейтрона один изотоп данного химического элемента превращается в другой, с меньшим весом. Так, например, при нейтронном распаде радиоактивный изотоп лития — литий-9 превращается в литий-8, радиоактивный гелий-5 — в стабильный гелий-4. Нейтронный распад Если стабильный изотоп йода — йод-127 облучать гамма-квантами, то он становится радиоактивным, выбрасывает нейтрон и превращается в другой, тоже радиоактивный изотоп — йод-126. Это пример искусственного нейтронного распада. Например, торий-234, образующийся при альфа-распаде урана-238 превращается в протактиний-234, который в свою очередь снова в уран, но уже в другой изотоп — уран-234. Заканчиваются же все эти альфа и бета-минус переходы образованием стабильного свинца-206. А уран-234 альфа-распадом — опять в торий торий-230. Далее торий-230 путём альфа-распада — в радий-226, радий — в радон. Деление ядер атомов Это самопроизвольное, или под действием нейтронов, раскалывание ядра атома на 2 примерно равные части, на два «осколка».
§ 228. Применения незатухающей цепной реакции деления. Атомная и водородная бомбы
Если бы мы отправляли сообщение с помощью квантовой запутанности, нам бы потребовалось 1 отправить коробку с ботинком, а также информацию о том, что 2 первая коробка открыта, 3 там левый ботинок, а 4 ботинки обладают свойством квантовой запутанности. Узнав все это, мы можем вычислить состояние второго кванта-ботинка. Все сказанное означает, что на передачу информации с помощью квантовой запутанности понадобятся обычные, неквантовые средства доставки информации — то есть передача информации будет осуществляться с обычной современной скоростью, кроме того, понадобятся время и ресурсы на вычисление состояния запутанного кванта-ботинка. Проверить же все мы сможем, только получив коробку с запутанным ботинком. То есть проверенное решение мы можем получить смотря по тому, что произойдет позже — уничтожение суперпозиции для второго запутанного ботинка открытие коробки , или получение иннформации о том, что коробки содержали запутанные ботинки. Это означает, что передача информации с помощью квантовой запутанности будет медленнее обычной и дороже обычных способов, поскольку потребует дополнительных вычислений. Подведем итог: квантовой суперпозиции как явления физического мира не существует, квантовая запутанность обеспечивает более медленную и более дорогую передачу информации по сравнению с неквантовыми. И, да — квантовая запутанность известная миру задолго до появления понятия кванта.
Каждая костяшка — атом ядра. Осколки от первой реакции сталкиваются со вторым атомом, а второй — с третьим, вызывая деление. Процесс продолжается, и «костяшки домино» передают энергию друг другу, вызывая цепную реакцию. Осколками могут быть разные элементарные частицы — протоны, нейтроны и прочие — и ядра других элементов. Точный набор зависит от материала. Когда делится уран-235, который используется в ядерных реакторах, образуются барий, криптон и несколько нейтронов.
Схема деления урана-235 Это взаимодействие приводит к непрерывному делению или синтезу ядер. Когда атом разделяется на две и более части, это называется ядерным делением. Синтез — иной процесс, когда легкие атомы сливаются в один более тяжёлый при сверхвысокой температуре. В обоих случаях освобождается энергия в виде тепла и света. Выделенные в процессе деления тепло и свет используются используют в ядерных реакторах для производства электричества. Атомный феникс для вечного двигателя Синтез обычно происходит в звёздах: Солнце и другие небесные тела питаются светом и теплом, чтобы поддержать свою жизнь.
Для этого земляне создали термоядерные реакторы. В этих установках происходит синтез атомов при высокой температуре и давлении. Идея термоядерных реакторов простая — это перспективный источник энергии. Пока цели не достигли — термоядерные реакторы потребляют больше энергии, чем производят. Крупнейший проект в этой области — Международный экспериментальный термоядерный реактор, или ИТЭР, расположенный во Франции. Нейтроны — герои реактора Атом состоит из трёх основных элементов: электронов, протонов и нейтронов.
Электроны — это маленькие частицы, которые вращаются вокруг ядра атома. Они носят отрицательный электрический заряд и участвуют в создании электричества и химических реакциях. Протоны — такие же частицы, но с положительным зарядом.
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.
Нагревая тела, их можно заставить испускать лучи, относящихся к различным областям излучения в зависимости от температуры нагрева. Спектры, полученные нагревом тел, называются спектрами испускания. Они бывают сплошными, линейчатыми и полосатыми. Есть другой способ получения спектра.
Пропускают пары газов твердого тела через прозрачные тела.
В ядерных реакциях субатомная частица сталкивается с атомным ядром и вызывает в нем изменения. Таким образом, ядерные реакции управляются механикой бомбардировки, а не относительно постоянным экспоненциальным распадом и периодом полураспада, характерными для спонтанных радиоактивных процессов. В настоящее время известно много типов ядерных реакций. Ядерное деление существенно отличается от других типов ядерных реакций тем, что его можно усилить и иногда контролировать с помощью цепной ядерной реакции один из типов общей цепной реакции. В такой реакции свободные нейтроны, высвобождаемые каждым событием деления, могут запускать еще больше событий, которые, в свою очередь, высвобождают больше нейтронов и вызывают большее деление. В химических элементах изотопов , которые могут поддерживать цепную реакцию деления называются ядерным топливом , и называются делящимся. Наиболее распространенными видами ядерного топлива являются 235 U изотоп урана с массовым числом 235 и используемый в ядерных реакторах и 239 Pu изотоп плутония с массовым числом 239. Эти виды топлива распадаются на бимодальный диапазон химических элементов с атомными массами в центре около 95 и 135 u продукты деления.
Большинство ядерного топлива претерпевает спонтанное деление очень медленно, разлагающееся вместо главным образом через альфа - бета - цепь распада в течение периодов тысячелетий до эр. В ядерном реакторе или ядерном оружии подавляющее большинство событий деления вызвано бомбардировкой другой частицей, нейтроном, который сам произведен предыдущими событиями деления. Эта энергия, возникающая в результате захвата нейтрона, является результатом ядерной силы притяжения, действующей между нейтроном и ядром. Аналогичный процесс происходит с делящимися изотопами такими как уран-238 , но для деления этим изотопам требуется дополнительная энергия, обеспечиваемая быстрыми нейтронами такими, как нейтроны , производимые ядерным синтезом в термоядерном оружии. Модель жидкой капли из атомного ядра предсказывает равного размера продуктов деления как результат деформации ядра. Более сложная модель ядерной оболочки необходима для механистического объяснения пути к более энергетически выгодному исходу, при котором один продукт деления немного меньше другого. Теория деления, основанная на модели оболочек, была сформулирована Марией Гепперт Майер. Однако бинарный процесс происходит просто потому, что он наиболее вероятен. Тройной процесс менее распространен, но все же приводит к значительному накоплению газообразных гелия-4 и трития в топливных стержнях современных ядерных реакторов.
Энергетика Вход Стадии бинарного деления в модели жидкой капли. В модели жидкой капли предсказывается, что два осколка деления будут одного размера. Модель ядерной оболочки позволяет им различаться по размеру, что обычно наблюдается экспериментально. После того, как доли ядра были отодвинуты на критическое расстояние, за пределами которого сильная сила ближнего действия больше не может удерживать их вместе, процесс их разделения происходит за счет энергии дальнего действия электромагнитного отталкивания между фрагментами. В результате два осколка деления удаляются друг от друга с высокой энергией. Около 6 МэВ энергии деления поступает за счет простого связывания дополнительного нейтрона с тяжелым ядром посредством сильного взаимодействия; однако во многих делящихся изотопах этого количества энергии недостаточно для деления. Например, уран-238 имеет близкое к нулю сечение деления нейтронов с энергией менее одного МэВ. Нейтроны такой высокой энергии способны делить U-238 напрямую см. Термоядерное оружие для применения, где быстрые нейтроны поставляются с помощью ядерного синтеза.
Однако этот процесс не может происходить в значительной степени в ядерном реакторе, так как слишком малая часть нейтронов деления, произведенных любым типом деления, имеет достаточно энергии для эффективного деления U-238 нейтроны деления имеют модовую энергию 2 МэВ, но медиана составляет всего 0,75 МэВ, что означает, что половина из них имеет меньше этой недостаточной энергии. Однако среди тяжелых актинидных элементов те изотопы, которые имеют нечетное число нейтронов например, U-235 со 143 нейтронами , связывают дополнительный нейтрон с дополнительной энергией 1-2 МэВ по сравнению с изотопом того же элемента с четным количество нейтронов например, U-238 с 146 нейтронами. Эта дополнительная энергия связи становится доступной в результате механизма эффектов спаривания нейтронов. Эта дополнительная энергия является результатом принципа исключения Паули, позволяющего дополнительному нейтрону занимать ту же ядерную орбиталь, что и последний нейтрон в ядре, так что они образуют пару. Таким образом, в таких изотопах кинетическая энергия нейтронов не требуется, поскольку вся необходимая энергия поступает за счет поглощения любого нейтрона, медленного или быстрого первые используются в ядерных реакторах с замедлителем, а вторые - в быстрых. Как отмечалось выше, подгруппа делящихся элементов, которые могут эффективно делиться с их собственными нейтронами деления таким образом, потенциально вызывая ядерную цепную реакцию в относительно небольших количествах чистого материала , называется « делящимися ». Примерами делящихся изотопов являются уран-235 и плутоний-239. Точный изотоп, который расщепляется, независимо от того, является ли он расщепляющимся или расщепляющимся, оказывает лишь небольшое влияние на количество выделяемой энергии. Это можно легко увидеть, изучив кривую энергии связи изображение ниже и отметив, что средняя энергия связи нуклидов актинидов, начиная с урана, составляет около 7,6 МэВ на нуклон.
Если посмотреть дальше влево на кривой энергии связи, где образуются кластеры продуктов деления , легко заметить, что энергия связи продуктов деления стремится к центру около 8,5 МэВ на нуклон. Таким образом, в любом случае деления изотопа в диапазоне масс актинида примерно 0,9 МэВ выделяется на нуклон исходного элемента. Этот профиль высвобождения энергии справедлив также для тория и различных второстепенных актинидов. Напротив, большинство химических реакций окисления таких как сжигание угля или тротила выделяют не более нескольких эВ за одно событие. Таким образом, ядерное топливо содержит как минимум в десять миллионов раз больше полезной энергии на единицу массы, чем химическое топливо. 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.
История науки: поленница для мирного атома
| Разница между ядерным делением и синтезом | Атомный взрыв возможен при расщеплении нестабильных атомов (в основном радиоактивные вещества) А более стойкие атомы расщепить почти невозможно, слишком много энергии. |
| КАК РАБОТАЕТ ЯДЕРНОЕ ОРУЖИЕ? | В пересчете на один атом деление урана дает в 50–100 миллионов раз больше энергии, чем любая химическая реакция. |
| Деление атома - Coub - The Biggest Video Meme Platform | Цепная ядерная реакция – самоподдерживающаяся реакция деления тяжёлых ядер, в которой непрерывно воспроизводятся нейтроны, делящие всё новые и новые ядра. |
| Как разделить неделимое? Элементарная частица — Научпоп на DTF | Ядерное деление — это реакция, в ходе которой ядро атома расщепляется на два или более меньших ядра, при этом происходит высвобождение энергии. |
| Открытие ядерного деления - Discovery of nuclear fission | Цепная ядерная реакция – это процесс деления тяжелых ядер, при котором деление воспроизводится снова и снова. |
Видео-стенд "Магия Деления ядра урана" в парке "Патриот"
| Цепная ядерная реакция: что это за процесс, виды цепных ядерных реакций | Недавно в атомной энергетике произошло событие, которое можно сравнить разве что с созданием вечного двигателя: четвертый энергоблок Белоярской АЭС с реактором. |
| Открытие ядерного деления - Discovery of nuclear fission | Они сообщили о делении атомов пяти различных элементов – алюминия, бора, натрия, бериллия и лития – и полученная энергия более чем в три раза превышала то, что затратили. |
| КАК РАБОТАЕТ ЯДЕРНОЕ ОРУЖИЕ? | Ядерные реакторы на АЭС, атомных судах и подводных лодках используют деление ядер урана (иногда вместе с плутонием). |
| Основы строения атома для чайников. Схемы, теории современного представления об атоме | Тот же принцип цепной реакции деления, только без особенного контроля, работает и в атомной бомбе. |