в каком виде выделяется энергия при делении ядер урана

В каком виде выделяется энергия при делении ядер урана

Делиться на части могут только ядра некоторых тяжелых элементов.
При делении ядер испускаются два-три нейтрона и γ-лучи.
Одновременно выделяется большая энергия.

Открытие деления урана

Деление ядер урана было открыто в 1938 г. немецкими учеными О. Ганом и Ф. Штрассманом.
Они установили, что при бомбардировке урана нейтронами возникают элементы средней части периодической системы: барий, криптон и др.
Однако правильное истолкование этого факта именно как деления ядра урана, захватившего нейтрон, было дано в начале 1939 г. английским физиком О. Фришем совместно с австрийским физиком Л. Мейтнер.

Захват нейтрона нарушает стабильность ядра.
Ядро возбуждается и становится неустойчивым, что приводит к его делению на осколки.

Деление ядра возможно потому, что масса покоя тяжелого ядра больше суммы масс покоя осколков, возникающих при делении.

Поэтому происходит выделение энергии, эквивалентной уменьшению массы покоя, сопровождающему деление.
Но полная масса сохраняется, так как масса движущихся с большой скоростью осколков превышает их массу покоя.

Возможность деления тяжелых ядер можно также объяснить с помощью графика зависимости удельной энергии связи от массового числа A.
Удельная энергия связи ядер атомов элементов, занимающих в периодической системе последние места (А ≈ 200), примерно на 1 МэВ меньше удельной энергии связи в ядрах элементов, находящихся в середине периодической системы (А ≈ 100).
Поэтому процесс деления тяжелых ядер на ядра элементов средней части периодической системы является энергетически выгодным.
Система после деления переходит в состояние с минимальной внутренней энергией.
Ведь, чем больше энергия связи ядра, тем большая энергия должна выделяться при возникновении ядра и, следовательно, тем меньше внутренняя энергия образовавшейся вновь системы.

При делении ядра энергия связи, приходящаяся на каждый нуклон, увеличивается на 1 МэВ и общая выделяющаяся энергия должна быть огромной — порядка 200 МэВ.
Ни при какой другой ядерной реакции (не связанной с делением) столь больших энергий не выделяется.

Непосредственные измерения энергии, выделяющейся при делении ядра урана подтвердили приведенные соображения и дали значение ≈200 МэВ.
Причем большая часть этой энергии (168 МэВ) приходится на кинетическую энергию осколков.
На рисунке представлены треки осколков делящегося урана в камере Вильсона.

Механизм деления ядра

Процесс деления атомного ядра можно объяснить на основе капельной модели ядра.
Согласно этой модели сгусток нуклонов напоминает капельку заряженной жидкости.
Ядерные силы между нуклонами являются короткодействующими, подобно силам, действующим между молекулами жидкости.
Наряду с большими силами электростатического отталкивания между протонами, стремящимися разорвать ядро на части, действуют еще бо́льшие ядерные силы притяжения.
Эти силы удерживают ядро от распада.

Ядро урана-235 имеет форму шара.
Поглотив лишний нейтрон, оно возбуждается и начинает деформироваться, приобретая вытянутую форму.
Ядро будет растягиваться до тех пор, пока силы отталкивания между половинками вытянутого ядра не начнут преобладать над силами притяжения, действующими в перешейке.
После этого оно разрывается на две части.
Под действием кулоновских сил отталкивания эти осколки разлетаются со скоростью, равной 1/30 скорости света.

Испускание нейтронов в процессе деления

Фундаментальный факт ядерного деления — испускание в процессе деления двух-трех нейтронов.
Именно благодаря этому оказалось возможным практическое использование внутриядерной энергии.

Понять, почему происходит испускание свободных нейтронов, можно исходя из следующих соображений.
Известно, что отношение числа нейтронов к числу протонов в стабильных ядрах возрастает с повышением атомного номера.
Поэтому у возникающих при делении осколков относительное число нейтронов оказывается большим, чем это допустимо для ядер атомов, находящихся в середине таблицы Менделеева.
В результате несколько нейтронов освобождается в процессе деления.
Их энергия имеет различные значения — от нескольких миллионов электрон-вольт до совсем малых, близких к нулю.

Деление обычно происходит на осколки, массы которых отличаются примерно в 1,5 раза.
Осколки эти сильно радиоактивны, так как содержат избыточное количество нейтронов.
В результате серии последовательных β-распадов в конце концов получаются стабильные изотопы.

Существует также спонтанное деление ядер урана.
Оно было открыто советскими физиками Г. Н. Флеровым и К. А. Петржаком в 1940 г.
Период полураспада для спонтанного деления равен 10 16 лет.
Это в два миллиона раз больше периода полураспада при α-распаде урана.

Реакция деления ядер сопровождается выделением энергии.

Деление атомных ядер тяжелых элементов возможно благодаря тому, что удельная энергия связи этих ядер меньше удельной энергии связи ядер элементов, находящихся в середине периодической системы Менделеева.

Источник

Энергия высвобождается из эквивалентности массы при которой происходит измеримое уменьшение массы. Это означает, что часть массы превращается в способность выполнять работу.

Этот процесс деления обычно происходит, когда на большое относительно нестабильное ядро воздействуют тепловые нейтроны с низкой энергией. В дополнение к меньшим ядрам, создаваемым при делении высвобождаются нейтроны.

Впервые ядра урана разделил итальянский физик Энрико Ферми в 1934 году. Он считал, что некоторые элементы могут быть получены путем бомбардировки урана нейтронами. Хотя он ожидал, что новые ядра будут иметь большие атомные номера, чем исходный Уран, он обнаружил, что сформированные ядра были радиоизотопами более легких элементов.

Откуда берется энергия?

Огромная способность выполнять работу, которая высвобождается из этого расщепления, происходит от того, как сильно протоны отталкиваются друг от друга с помощью кулоновской силы удерживаемой вместе сильным взаимодействием. Каждый протон толкает другой протон с силой около 20 Н, примерно силой руки, лежащей на коленях человека. Это невероятно огромная сила для таких маленьких частиц. Эта огромная сила на небольшом расстоянии приводит к значительному количеству высвобождаемых ресурсов, которые достаточно велики, чтобы вызвать измеримое уменьшение массы.

Это означает, что общая масса каждого из осколков деления оказывается меньше массы исходного ядра. Эта недостающая масса известна как дефект массы.

Удобно говорить о количестве энергии, которая связывает ядра вместе. Все ядра имеют эту связь, кроме водорода (который имеет только 1 протон и нет нейтронов). Важно отметить про энергию связи, доступную каждому нуклону (общее название протона и нейтрона). Это называется энергией связи нуклона, а, по существу, сколько работы требуется на нуклон, чтобы отделить ядро. Продукты деления более стабильны, что означает, что их труднее разделить. Поскольку энергия связи на нуклон для продуктов деления выше, их общая нуклонная масса ниже.
В результате деления энергия связи атомного топлива высвобождается, образуя более низкую массу приводя к производству способности выполнять работу.

Использование цепной реакции

Источник

В каком виде выделяется энергия при делении ядер урана

Рис.1. Зависимость удельной энергии связи от массового числа A

Из рис.1 видно, что наибольшую устойчивость имеют ядра с А = 40-120, т.е. находящиеся в середине периодической таблицы. Энергетически выгодными являются процессы соединения (синтеза) легких ядер и деления тяжелых ядер. В обоих случаях конечные ядра располагаются в той области значений А, где удельная энергия связи больше, чем удельная энергия связи начальных ядер. Поэтому указанные процессы должны идти с выделением энергии. Пользуясь данными по удельным энергиям связи, можно оценить энергию, которая освобождается в одном акте деления. Пусть ядро с массовым числом А₁ = 240 делится на два равных осколка с А₂ = 120. В этом случае удельная энергия связи осколков по сравнению с удельной энергией связи начального ядра увеличивается на 0.8 МэВ (от ₁7.6 МэВ для ядра с А₁ = 240 до ₂8.4 МэВ для ядра с А₂ = 120). При этом должна выделяться энергия

2. Элементарная теория деления

В 1939 г. Н. Бор и Дж.Уилер, а также Я. Френкель еще задолго до того, как деление было всесторонне изучено экспериментально, предложили теорию этого процесса, основанную на представлении о ядре как о капле заряженной жидкости.

Энергия, освобождающаяся при делении, может быть получена непосредственно из формулы Вайцзеккера.

Предположим, что ядро с массовым числом А₁ и зарядом Z₁ делится на два одинаковых осколка с массовыми числами А₂ = А₁/2 и атомными номерами Z₂ = Z₁/2. Энергия E, освобождающаяся при делении, определяется соотношением

Рассчитаем величину энергии, выделяющейся при делении тяжелого ядра. Подставим в (f.2) выражения для энергий связи ядер (f.1), полагая А₁=240 и Z₁ = 90. Пренебрегая последним членом в (f.1) вследствие его малости и подставив значения параметров a₂ и a₃,получаем

Отсюда получим, что деление энергетически выгодно, когда Z 2 /A > 17. Величина Z 2 /A называется параметром делимости. Энергия Е, освобождающаяся при делении, растет с увеличением Z 2 /A ; Z 2 /A = 17 для ядер в районе иттрия и циркония. Из полученных оценок видно, что деление энергетически выгодно для всех ядер с A > 90. Почему же большинство ядер устойчиво по отношению к самопроизвольному делению? Чтобы ответить на этот вопрос, посмотрим, как меняется форма ядра в процессе деления.

Рис.2. Изменение формы ядра в процессе деления

В процессе деления ядро последовательно проходит через следующие стадии (рис.2): шар, эллипсоид, гантель, два грушевидных осколка, два сферических осколка. Как меняется потенциальная энергия ядра на различных стадиях деления? После того как деление произошло, и осколки находятся друг от друга на расстоянии, много большем их радиуса, потенциальную энергию осколков, определяемую кулоновским взаимодействием между ними, можно считать равной нулю.

Рис.3. Изменение поверхностной и кулоновской энергий в процессе деленияРис.4. Изменение потенциальной энергии ядра в процессе деления

Рис.5. Зависимость формы, высоты потенциального барьера H и энергии деления E от величины параметра делимости Z 2 /А

Самопроизвольное деление ядер с Z 2 /А 2 /А, т.е. с уменьшением высоты барьера. В целом период полураспада относительно спонтанного деления уменьшается при переходе от менее тяжелых ядер к более тяжелым от Т_1/2 > 10 21 лет для 232 Th до 21 мс для 260 Rf. Вынужденное деление ядер с Z 2 /А 235 U тепловыми нейтронами освобождается энергия около 200 МэВ. Из них

Источник

Учебники

Журнал «Квант»

Общие

Содержание

История открытия деления урана

Деление ядер урана было открыто в 1938 г. немецкими учеными О. Ганом и Ф. Штрассманом. Им удалось установить, что при бомбардировке ядер урана нейтронами образуются элементы средней части периодической системы: барий, криптон и др. Правильное толкование этому факту дали австрийский физик Л. Мейтнер и английский физик О. Фриш. Они объяснили появление этих элементов распадом ядер урана, захватившего нейтрон, на две примерно равные части. Это явление получило название деления ядер, а образующиеся ядра — осколков деления.

См. также

Капельная модель ядра

Объяснить эту реакцию деления можно основываясь на капельной модели ядра. В этой модели ядро рассматривается как капля электрически заряженной несжимаемой жидкости. Кроме ядерных сил, действующих между всеми нуклонами ядра, протоны испытывают дополнительное электростатическое отталкивание, вследствие которого они располагаются на периферии ядра. В невозбужденном состоянии силы электростатического отталкивания скомпенсированы, поэтому ядро имеет сферическую форму (рис. 1, а).

После захвата ядром \(

^<235>_<92>U\) нейтрона образуется промежуточное ядро \(

(^<236>_<92>U)^*\), которое находится в возбужденном состоянии. При этом энергия нейтрона равномерно распределяется между всеми нуклонами, а само промежуточное ядро деформируется и начинает колебаться. Если возбуждение невелико, то ядро (рис. 1, б), освобождаясь от излишка энергии путем испускания γ-кванта или нейтрона, возвращается в устойчивое состояние. Если же энергия возбуждения достаточно велика, то деформация ядра при колебаниях может быть настолько большой, что в нем образуется перетяжка (рис. 1, в), аналогичная перетяжке между двумя частями раздваивающейся капли жидкости. Ядерные силы, действующие в узкой перетяжке, уже не могут противостоять значительной кулоновской силе отталкивания частей ядра. Перетяжка разрывается, и ядро распадается на два «осколка» (рис. 1, г), которые разлетаются в противоположные стороны.

uran.swf Flash: Деление урана Увеличить Flash Рис. 2.

В настоящее время известны около 100 различных изотопов с массовыми числами примерно от 90 до 145, возникающих при делении этого ядра. Две типичные реакции деления этого ядра имеют вид:

Обратите внимание, что в результате деления ядра, инициированного нейтроном, возникают новые нейтроны, способные вызвать реакции деления других ядер. Продуктами деления ядер урана-235 могут быть и другие изотопы бария, ксенона, стронция, рубидия и т. д.

При делении ядер тяжелых атомов (\(

^<235>_<92>U\)) выделяется очень большая энергия — около 200 МэВ при делении каждого ядра. Около 80 % этой энергии выделяется в виде кинетической энергии осколков; остальные 20 % приходятся на энергию радиоактивного излучения осколков и кинетическую энергию мгновенных нейтронов.

Оценку выделяющей при делении ядра энергии можно сделать с помощью удельной энергии связи нуклонов в ядре. Удельная энергия связи нуклонов в ядрах с массовым числом A ≈ 240 порядка 7,6 МэВ/нуклон, в то время как в ядрах с массовыми числами A = 90 – 145 удельная энергия примерно равна 8,5 МэВ/нуклон. Следовательно, при делении ядра урана освобождается энергия порядка 0,9 МэВ/нуклон или приблизительно 210 МэВ на один атом урана. При полном делении всех ядер, содержащихся в 1 г урана, выделяется такая же энергия, как и при сгорании 3 т угля или 2,5 т нефти.

См. также

Цепная реакция

При делении ядра урана-235, которое вызвано столкновением с нейтроном, освобождается 2 или 3 нейтрона. При благоприятных условиях эти нейтроны могут попасть в другие ядра урана и вызвать их деление. На этом этапе появятся уже от 4 до 9 нейтронов, способных вызвать новые распады ядер урана и т. д. Такой лавинообразный процесс называется цепной реакцией. Схема развития цепной реакции деления ядер урана представлена на рис. 3.

Уран встречается в природе в виде двух изотопов\[

^<235>_<92>U\) (0,7 %). При бомбардировке нейтронами ядра обоих изотопов могут расщепляться на два осколка. При этом реакция деления \(

^<235>_<92>U\) наиболее интенсивно идет на медленных (тепловых) нейтронах, в то время как ядра \(

^<238>_<92>U\) вступают в реакцию деления только с быстрыми нейтронами с энергией порядка 1 МэВ. Иначе энергия возбуждения образовавшихся ядер \(

^<239>_<92>U\) оказывается недостаточной для деления, и тогда вместо деления происходят ядерные реакции:

^<238>_<92>U\) β-радиоактивен, период полураспада 23 мин. Изотоп нептуния \(

^<239>_<93>Np\) тоже радиоактивен, период полураспада около 2 дней.

^<239>_<94>Np\) относительно стабилен, период полураспада 24000 лет. Важнейшее свойство плутония состоит в том, что он делится под влиянием нейтронов так же, как \(

^<235>_<92>U\). Поэтому с помощью \(

^<239>_<94>Np\) может быть осуществлена цепная реакция.

Рассмотренная выше схема цепной реакции представляет собой идеальный случай. В реальных условиях не все образующиеся при делении нейтроны участвуют в делении других ядер. Часть их захватывается неделящимися ядрами посторонних атомов, другие вылетают из урана наружу (утечка нейтронов).

Поэтому цепная реакция деления тяжелых ядер возникает не всегда и не при любой массе урана.

Коэффициент размножения нейтронов

Развитие цепной реакции характеризуется так называемым коэффициентом размножения нейтронов К, который измеряется отношением числа N_i нейтронов, вызывающих деление ядер вещества на одном из этапов реакции, к числу N_i-1 нейтронов, вызвавших деление на предыдущем этапе реакции:

Коэффициент размножения зависит от ряда факторов, в частности от природы и количества делящегося вещества, от геометрической формы занимаемого им объема. Одно и то же количество данного вещества имеет разное значение К. К максимально, если вещество имеет шарообразную форму, поскольку в этом случае потеря мгновенных нейтронов через поверхность будет наименьшей.

Масса делящегося вещества, в котором цепная реакция идет с коэффициентом размножения К = 1, называется критической массой. В небольших кусках урана большинство нейтронов, не попав ни в одно ядро, вылетают наружу.

Значение критической массы определяется геометрией физической системы, ее структурой и внешним окружением. Так, для шара из чистого урана \(

^<235>_<92>U\) критическая масса равна 47 кг (шар диаметром 17 см). Критическую массу урана можно во много раз уменьшить, если использовать так называемые замедлители нейтронов. Дело в том, что нейтроны, рождающиеся при распаде ядер урана, имеют слишком большие скорости, а вероятность захвата медленных нейтронов ядрами урана-235 в сотни раз больше, чем быстрых. Наилучшим замедлителем нейтронов является тяжелая вода D₂O. Обычная вода при взаимодействии с нейтронами сама превращается в тяжелую воду.

Хорошим замедлителем является также графит, ядра которого не поглощают нейтронов. При упругом взаимодействии с ядрами дейтерия или углерода нейтроны замедляются до тепловых скоростей.

Применение замедлителей нейтронов и специальной оболочки из бериллия, которая отражает нейтроны, позволяет снизить критическую массу до 250 г.

При коэффициенте размножения К = 1 число делящихся ядер поддерживается на постоянном уровне. Такой режим обеспечивается в ядерных реакторах.

Если масса ядерного топлива меньше критической массы, то коэффициент размножения К 1 и каждое новое поколение нейтронов вызывает все большее число делений. Цепная реакция лавинообразно нарастает и имеет характер взрыва, сопровождающегося огромным выделением энергии и повышением температуры окружающей среды до нескольких миллионов градусов. Цепная реакция такого рода происходит при взрыве атомной бомбы.

Ядерная бомба

Источник

Особое место среди ядерных реакций занимают цепные реакции деления некоторых тяжелых элементов. Так, например, вынужденное деление ядер урана нейтронами сопровождается вылетом нескольких нейтронов, которые, взаимодействуя с соседними ядрами урана, вызывают их деление. Так как суммарная энергия связи ядер-осколков меньше, чем энергия связи урана, то цепная реакция сопровождается выделением огромной энергии в виде кинетической энергии осколков, энергии гамма-квантов и энергии вторичных электронов.

Необходимым условием протекания цепной ядерной реакции является то, что коэффициент размножения нейтронов k>1 или k=1 и наличие критической массы вещества.

Для осуществления управляемой цепной реакции используют ядерный реактор, который является источником энергии на АЭС и морском флоте.

Что это? Очередной фильм ужасов! Нет, это свидетельства очевидцев страшного преступления американской военщины, совершенного в августе 1945 года над японским городом Нагасаки. В результате бомбардировки японских городов Хиросима и Нагасаки погибли около 100 тыс. человек, еще десятки тысяч умерли позднее от лучевой болезни. Вот так впервые человек распорядился ядерной энергией.

Открытие деления ядер урана

А история эта началась еще в 30-х годы XX века. Немецкие ученые О.Ган и Ф.Штрассман в 1938 г. обнаружили, что при бомбардировке урана нейтронами возникают ядра, примерно вдвое более легкие, чем исходное ядро урана.

На фотографии треки осколков, образовавшихся при делении ядра урана в камере Вильсона.

Механизм деления ядра урана

Эмигранты из нацисткой Германии Л.Мейтнер и О.Фриш в 1939 г. Сумели объяснить механизм деления ядра урана на основе капельной модели ядра, предложенной Н.Бором. Ядро, поглотившее нейтрон, находится в возбужденном состоянии и подобно капле ртути при толчке начинает колебаться, изменяя свою форму. Когда энергия возбуждения станет больше энергии связи, то за счет кулоновских сил ядро разорвется на две части, которые разлетятся в противоположные стороны.

Кинетическая энергия новых ядер обусловлена кулоновскими силами. Если суммарная энергия связи ядер-осколков меньше, чем энергия связи ядра урана, то реакция сопровождается выделением огромной энергии в виде кинетической энергии осколков, энергии гамма-квантов и энергии вторичных нейтронов. Обнаружено, что при бомбардировке нейтронами урана-235 образуется 80 различных ядер.

Обратите внимание:

При делении ядер, содержащихся в 1 г урана, выделяется энергии 8×1010Дж, или 22000 кВт×ч. Естественный уран состоит:
из урана-235 (0,7%) и урана-238 (97,3%).

Цепная реакция деления урана

В январе 1939 года Ферми высказал мысль, что при делении урана-235 следует ожидать испускания быстрых нейтронов и что, если число вылетевших нейтронов будет больше, чем число поглощенных, путь к цепной реакции будет открыт. Поставленный эксперимент подтвердил наличие быстрых нейтронов.

Вынужденное деление ядер урана нейтронами сопровождается вылетом нескольких нейтронов, которые, взаимодействуя с соседними ядрами урана, вызывают их деление. Т.к. суммарная энергия связи ядер-осколков меньше, чем энергия связи ядра урана, то цепная реакция сопровождается выделением огромной энергии в виде кинетической энергии осколков, энергии квантов и энергии вторичных нейтронов.

Скорость нарастания цепной реакции характеризуют величиной, называемой коэффициентом размножения нейтронов, который характеризует быстроту роста числа нейтронов и равен отношению числа нейтронов в одном каком-либо поколении цепной реакции Ni к породившему их числу нейтронов предшествующего поколения Ni-1:

При k=1 число нейтронов, участвующих в делении ядер, остается неизменны, реакция протекает стационарно, имеет управляемый характер.

При k>1 число нейтронов увеличивается, интенсивность реакции возрастает.

При k>1,006 может принять неуправляемый характер.

С целью уменьшения вылета нейтронов с куска урана увеличивают массу урана. Минимальное значение массы урана, при котором возможна цепная реакция, называется критической массой.

В зависимости от устройства установок и типа горючего критическая масса изменяется от 200 г (прт наличии отражателя нейтронов) до 50 кг.

Образование плутония

Плутоний (Pu) – серебристо-белый радиоактивный металл группы актиноидов, теплый на ощупь (из-за своей радиоактивности. В природе встречается в очень малых количествах в уранитовой смолке и других рудах урана и церия, в значительном количестве получают искусственно.

Для осуществления цепной ядерной реакции требуется уран-235, но в природном уране данный изотоп составляет только 0,7%, а 99,3% приходятся на уран-238. Поэтому встал вопрос, как использовать в ядерной энергетике уран-238. Оказывается, если использовать обогащенный уран (смесь содержащая не менее 15% изотопа-235), то изотоп урана-238 превращается в b-радиоактивный изотоп урана-239.

Ядерная энергетика

Для осуществления управляемой цепной реакции используют ядерный реактор, который является источником энергии на АЭС и морском флоте. В ядерном реакторе число нейтронов, участвующих в делении ядер, остается неизменным (k=1), реакция протекает стационарно и имеет управляемый характер. Впервые управляемая цепная реакция деления ядер урана была осуществлена в 1942 г. в США под руководством Э. Ферми в уран-графитовом реакторе.

Ядерный реактор – устройство, в котором осуществляется управляемая цепная реакция.

В ядерном реакторе число нейтронов, участвующих в делении ядер, остается неизменным (k=1), реакция протекает стационарно и имеет управляемый характер.

Ядра урана, особенно ядра изотопа U-235, наиболее эффективно захватывают медленные нейтроны. Вероятность захвата медленных нейтронов с последующим делением ядер в сотни раз больше, чем быстрых. Поэтому в ядерных реакторах, работающих на естественном уране, используются замедлители нейтронов для повышения коэффициента размножения нейтронов.

По назначению реакторы делятся:

Применение ядерных реакторов

Преимущества АЭС

· ядерные реакторы не потребляют кислород и органическое топливо;

· отсутствует загрязнение окружающей среды золой и другими вредными для человека продуктами сгорания топлива;

· биосфера надежно защищена от радиоактивного воздействия при нормальном режиме эксплуатации АЭС.

Опасные факторы воздействия на окружающую среду

· нарушение теплового баланса в окрестности АЭС;

· проблема захоронения радиоактивных отходов и демонтажа отслуживших срок реакторов;

· радиоактивное загрязнение местности при аварийных выбросах;

· опасность экологических катастроф.

Ядерное оружие

Первая советская атомная бомба

Стоит отметить особую заслугу в организации работ по ядерной программе Л. Берии. Как заявил И. В. Курчатов «Если бы не Берия, атомной бомбы не было».

Источник