ურანის ატომის ბირთვული დაშლის მექანიზმი. ბირთვული დაშლის რეაქციები
ბირთვული რეაქციები.ნაწილაკების ურთიერთქმედებას ატომის ბირთვთან, რასაც იწვევს ამ ბირთვის ახალ ბირთვად გარდაქმნა მეორადი ნაწილაკების ან გამა სხივების გამოთავისუფლებით, ეწოდება ბირთვული რეაქცია.
Პირველი ბირთვული რეაქციაჩაატარა რეზერფორდმა 1919 წელს. მან აღმოაჩინა, რომ ალფა ნაწილაკების შეჯახება აზოტის ატომების ბირთვებთან წარმოქმნის სწრაფად მოძრავ პროტონებს. ეს ნიშნავს, რომ აზოტის იზოტოპის ბირთვი, ალფა ნაწილაკთან შეჯახების შედეგად, გარდაიქმნა ჟანგბადის იზოტოპის ბირთვად:
.
ბირთვული რეაქციები შეიძლება მოხდეს ენერგიის გათავისუფლებით ან შთანთქმით. მასასა და ენერგიას შორის ურთიერთობის კანონის გამოყენებით, ბირთვული რეაქციის ენერგიის გამომუშავება შეიძლება განისაზღვროს რეაქციაში შემავალი ნაწილაკებისა და რეაქციის პროდუქტების მასებში განსხვავების პოვნის გზით:
Ჯაჭვური რეაქციაურანის ბირთვების დაშლა.სხვადასხვა ბირთვულ რეაქციებს შორის ის განსაკუთრებით მნიშვნელოვანია თანამედროვეთა ცხოვრებაში ადამიანთა საზოგადოებააქვს ზოგიერთი მძიმე ბირთვის დაშლის ჯაჭვური რეაქციები.
ურანის ბირთვების დაშლის რეაქცია ნეიტრონებით დაბომბვისას აღმოაჩინეს 1939 წელს.E.Fermi, I. Joliot-Curie, O.Hahn, F. Strassmann, L. Meitner, O. Frisch, F. Joliot-Curie, აღმოჩნდა, რომ როდესაც ერთი ნეიტრონი ეჯახება ურანის ბირთვს, ბირთვი იყოფა ორ ან სამ ნაწილად.
ურანის ერთი ბირთვის დაშლის შედეგად გამოიყოფა დაახლოებით 200 მევ ენერგია. ფრაგმენტების ბირთვების მოძრაობის კინეტიკური ენერგია შეადგენს დაახლოებით 165 მევ-ს, დანარჩენ ენერგიას გამა კვანტები ატარებს.
ურანის ერთი ბირთვის დაშლის დროს გამოთავისუფლებული ენერგიის გაცნობით, შეიძლება გამოვთვალოთ, რომ 1 კგ ურანის ყველა ბირთვის დაშლის შედეგად გამომუშავებული ენერგია არის 80 ათასი მილიარდი ჯოული. ეს რამდენიმე მილიონჯერ მეტია, ვიდრე ის გამოიყოფა 1 კგ ქვანახშირის ან ნავთობის დაწვისას. მაშასადამე, ჩატარდა პრაქტიკული მიზნებისთვის გამოსაყენებლად ბირთვული ენერგიის მნიშვნელოვანი რაოდენობით გამოშვების გზების ძიება.
ჯაჭვური ბირთვული რეაქციების შესაძლებლობის შესახებ პირველი წინადადება გააკეთა ფ. ჯოლიო-კიურიმ 1934 წელს. 1939 წელს მან, ჰ.ჰალბანთან და ლ. კოვარსკთან ერთად, ექსპერიმენტულად აღმოაჩინა, რომ ურანის ბირთვის დაშლის დროს, გარდა ბირთვული ფრაგმენტები, 2 -3 თავისუფალი ნეიტრონი. ზე ხელსაყრელი პირობებიამ ნეიტრონებს შეუძლიათ ურანის სხვა ბირთვებზე დარტყმა და მათი დაშლა გამოიწვიოს. სამი ურანის ბირთვის დაშლისას 6-9 ახალი ნეიტრონი უნდა გამოთავისუფლდეს, ისინი ჩავარდებიან ურანის ახალ ბირთვებში და ა.შ. ურანის ბირთვების დაშლის ჯაჭვური რეაქციის განვითარების დიაგრამა წარმოდგენილია ნახატზე 316.
ბრინჯი. 316
ჯაჭვური რეაქციების პრაქტიკული განხორციელება ასე არ არის მარტივი დავალებაროგორ გამოიყურება დიაგრამაზე. ურანის ბირთვების დაშლის დროს გამოთავისუფლებულ ნეიტრონებს შეუძლიათ გამოიწვიონ მხოლოდ ურანის იზოტოპის ბირთვების დაშლა 235 მასით, მაგრამ მათი ენერგია არ არის საკმარისი იმისათვის, რომ გაანადგუროს ურანის იზოტოპის ბირთვები 238 მასით. ბუნებრივ ურანში 238 მასის მქონე ურანის წილი 99,8%-ია, ხოლო 235 მასის 235 ურანის წილი მხოლოდ 0,7%. ამიტომ პირველი შესაძლო გზადაშლის ჯაჭვური რეაქციის განხორციელება დაკავშირებულია ურანის იზოტოპების გამოყოფასთან და წარმოქმნასთან. სუფთა ფორმაიზოტოპის საკმარისად დიდი რაოდენობით. ჯაჭვური რეაქციის წარმოქმნის აუცილებელი პირობაა საკმარისი არსებობა დიდი რაოდენობითურანი, რადგან მცირე ნიმუშში ნეიტრონების უმეტესი ნაწილი ნიმუშში გაფრინდება ბირთვზე შეჯახების გარეშე. ურანის მინიმალურ მასას, რომელშიც ჯაჭვური რეაქცია შეიძლება მოხდეს, კრიტიკულ მასას უწოდებენ. ურანი-235-ის კრიტიკული მასა რამდენიმე ათეული კილოგრამია.
ურან-235-ში ჯაჭვური რეაქციის განხორციელების უმარტივესი გზა შემდეგია: მზადდება ურანის ლითონის ორი ცალი, თითოეული კრიტიკულზე ოდნავ ნაკლები მასით. ჯაჭვური რეაქცია არ შეიძლება მოხდეს თითოეულ მათგანში ცალკე. როდესაც ეს ნაწილები სწრაფად არის დაკავშირებული, ჯაჭვური რეაქცია ვითარდება და კოლოსალური ენერგია გამოიყოფა. ურანის ტემპერატურა მილიონობით გრადუსს აღწევს, თავად ურანი და ნებისმიერი სხვა ნივთიერება ორთქლად იქცევა. ცხელი აირისებრი ბურთი სწრაფად ფართოვდება, იწვის და ანადგურებს ყველაფერს თავის გზაზე. ასე ხდება ბირთვული აფეთქება.
ძალიან რთულია ბირთვული აფეთქების ენერგიის გამოყენება მშვიდობიანი მიზნებისთვის, რადგან ენერგიის გამოყოფა უკონტროლოა. ურანის ბირთვების დაშლის კონტროლირებადი ჯაჭვური რეაქციები ტარდება ბირთვულ რეაქტორებში.
Ბირთვული რეაქტორი.პირველი ბირთვული რეაქტორები იყო ნელი ნეიტრონული რეაქტორები (სურ. 317). ურანის ბირთვების დაშლის დროს გამოთავისუფლებული ნეიტრონების უმეტესობას აქვს 1-2 მევ ენერგია. მათი სიჩქარე დაახლოებით 107 მ/წმ-ია, რის გამოც მათ სწრაფ ნეიტრონებს უწოდებენ. ასეთ ენერგიებში ნეიტრონები ურთიერთქმედებენ ურანთან და ურანის ბირთვებთან დაახლოებით თანაბარი ეფექტურობა. და რადგან ბუნებრივ ურანში 140-ჯერ მეტი ურანის ბირთვია, ვიდრე ურანის ბირთვები, ამ ნეიტრონების უმეტესობა შეიწოვება ურანის ბირთვებით და ჯაჭვური რეაქცია არ ვითარდება. ნეიტრონებს, რომლებიც მოძრაობენ თერმული მოძრაობის სიჩქარესთან მიახლოებული სიჩქარით (დაახლოებით 2·10 3 მ/წმ) ეწოდება ნელი ან თერმული. ნელი ნეიტრონები კარგად ურთიერთქმედებენ ურანი-235 ბირთვებთან და მათ მიერ 500-ჯერ უფრო ეფექტურად შეიწოვება, ვიდრე სწრაფი ნეიტრონები. ამიტომ, როდესაც ბუნებრივი ურანი დასხივებულია ნელი ნეიტრონებით, მათი უმეტესობა შეიწოვება არა ურანი-238-ის, არამედ ურანი-235-ის ბირთვებში და იწვევს მათ დაშლას. შესაბამისად, იმისათვის, რომ ჯაჭვური რეაქცია განვითარდეს ბუნებრივ ურანში, ნეიტრონების სიჩქარე უნდა შემცირდეს თერმულ სიჩქარემდე.
ბრინჯი. 317
ნეიტრონები ნელდება იმ გარემოს ატომურ ბირთვებთან შეჯახების შედეგად, რომელშიც ისინი მოძრაობენ. რეაქტორში ნეიტრონების შენელებისთვის გამოიყენება სპეციალური ნივთიერება, რომელსაც ეწოდება მოდერატორი. მოდერატორი ნივთიერების ატომების ბირთვებს უნდა ჰქონდეთ შედარებით მცირე მასა, რადგან მსუბუქ ბირთვთან შეჯახებისას ნეიტრონი კარგავს უფრო მეტ ენერგიას, ვიდრე მძიმეს. ყველაზე გავრცელებული მოდერატორებია ჩვეულებრივი წყალი და გრაფიტი.
სივრცეს, რომელშიც ჯაჭვური რეაქცია ხდება, რეაქტორის ბირთვი ეწოდება. ნეიტრონის გაჟონვის შესამცირებლად, რეაქტორის ბირთვი გარშემორტყმულია ნეიტრონის რეფლექტორით, რომელიც უარყოფს ნეიტრონების მნიშვნელოვან ნაწილს ბირთვში. იგივე ნივთიერება, რომელიც მოდერატორს ემსახურება, ჩვეულებრივ გამოიყენება რეფლექტორად.
რეაქტორის მუშაობის დროს გამოთავისუფლებული ენერგია ამოღებულია გამაგრილებლის გამოყენებით. გამაგრილებლად შეიძლება გამოყენებულ იქნას მხოლოდ სითხეები და აირები, რომლებსაც არ აქვთ ნეიტრონების შთანთქმის უნარი. ჩვეულებრივი წყალი ფართოდ გამოიყენება როგორც გამაგრილებელი ნახშირორჟანგი და ზოგჯერ თხევადი მეტალის ნატრიუმიც კი.
რეაქტორი კონტროლდება სპეციალური საკონტროლო (ან საკონტროლო) ღეროების გამოყენებით, რომლებიც ჩასმულია რეაქტორის ბირთვში. საკონტროლო წნელები დამზადებულია ბორის ან კადმიუმის ნაერთებისგან, რომლებიც შთანთქავენ თერმულ ნეიტრონებს ძალიან მაღალი ეფექტურობით. სანამ რეაქტორი დაიწყებს მუშაობას, ისინი მთლიანად შეჰყავთ მის ბირთვში. ნეიტრონების მნიშვნელოვანი ნაწილის შთანთქმით ისინი შეუძლებელს ხდიან ჯაჭვური რეაქციის განვითარებას. რეაქტორის დასაწყებად, საკონტროლო ღეროები თანდათან ამოღებულია ბირთვიდან, სანამ ენერგიის გამოყოფა არ მიაღწევს წინასწარ განსაზღვრულ დონეს. როდესაც სიმძლავრე იზრდება დადგენილ დონეზე, ავტომატური მანქანები ჩართულია, საკონტროლო წნელები ღრმად ჩადის ბირთვში.
Ბირთვული ენერგია.ბირთვული ენერგია პირველად ჩვენს ქვეყანაში მშვიდობის სამსახურში შევიდა. სსრკ-ში ატომურ მეცნიერებასა და ტექნოლოგიაზე მუშაობის პირველი ორგანიზატორი და ლიდერი იყო აკადემიკოსი იგორ ვასილიევიჩ კურჩატოვი (1903-1960).
ამჟამად სსრკ-სა და ევროპაში უდიდესია ლენინგრადის ატომური ელექტროსადგური. და. ლენინს აქვს 4000 მეგავატი სიმძლავრე, ე.ი. 800-ჯერ აღემატება პირველ ატომურ ელექტროსადგურს.
დიდ ატომურ ელექტროსადგურებში გამომუშავებული ელექტროენერგიის ღირებულება უფრო დაბალია, ვიდრე თბოელექტროსადგურებში გამომუშავებული ელექტროენერგიის ღირებულება. ამიტომ ბირთვული ენერგია დაჩქარებული ტემპით ვითარდება.
ბირთვული რეაქტორები გამოიყენება როგორც ელექტროსადგურები საზღვაო გემებზე. მსოფლიოში პირველი მშვიდობიანი გემი ატომური ელექტროსადგურით, ატომური ენერგიით მომუშავე ყინულმჭრელი Lenin, აშენდა საბჭოთა კავშირში 1959 წელს.
საბჭოთა ატომური ყინულმჭრელი Arktika, რომელიც აშენდა 1975 წელს, გახდა მსოფლიოში პირველი ზედაპირული ხომალდი, რომელმაც მიაღწია ჩრდილოეთ პოლუსს.
თერმობირთვული რეაქცია.ბირთვული ენერგია გამოიყოფა არა მხოლოდ მძიმე ბირთვების დაშლის ბირთვულ რეაქციებში, არამედ მსუბუქი ატომური ბირთვების კომბინაციის დროსაც.
მსგავსი დამუხტული პროტონების დასაკავშირებლად აუცილებელია კულონის მოგერიების ძალების გადალახვა, რაც შესაძლებელია ნაწილაკების შეჯახების საკმარისად მაღალი სიჩქარით. პროტონებისგან ჰელიუმის ბირთვების სინთეზისთვის აუცილებელი პირობები არსებობს ვარსკვლავების ინტერიერში. დედამიწაზე თერმობირთვული შერწყმის რეაქცია განხორციელდა ექსპერიმენტული თერმობირთვული აფეთქებების დროს.
წყალბადის მსუბუქი იზოტოპიდან ჰელიუმის სინთეზი ხდება დაახლოებით 108 K ტემპერატურაზე, ხოლო წყალბადის მძიმე იზოტოპებიდან ჰელიუმის სინთეზისთვის - დეიტერიუმი და ტრიტიუმი - სქემის მიხედვით.
მოითხოვს გათბობას დაახლოებით 5 10 7 კ-მდე.
როდესაც 1გ ჰელიუმი სინთეზირდება დეიტერიუმიდან და ტრიტიუმისგან, გამოთავისუფლებული ენერგია არის 4,2·10 11 ჯ. ეს ენერგია გამოიყოფა 10 ტონა დიზელის საწვავის დაწვისას.
დედამიწაზე წყალბადის მარაგი პრაქტიკულად ამოუწურავია, ამიტომ თერმობირთვული შერწყმის ენერგიის გამოყენება მშვიდობიანი მიზნებისთვის ერთ-ერთი ყველაზე მნიშვნელოვანი ამოცანაა. თანამედროვე მეცნიერებადა ტექნოლოგია.
ჰელიუმის სინთეზის კონტროლირებადი თერმობირთვული რეაქცია წყალბადის მძიმე იზოტოპებიდან გაცხელებით უნდა განხორციელდეს გავლის გზით. ელექტრო დენიპლაზმის მეშვეობით. მაგნიტური ველი გამოიყენება გაცხელებული პლაზმის კამერის კედლებთან შეხების თავიდან ასაცილებლად. ტოკამაკ-10 ექსპერიმენტულ ინსტალაციაზე საბჭოთა ფიზიკოსებმა მოახერხეს პლაზმის 13 მილიონი გრადუსამდე გაცხელება. უფრო მეტამდე მაღალი ტემპერატურაწყალბადის გაცხელება შესაძლებელია ლაზერული გამოსხივების გამოყენებით. ამისათვის რამდენიმე ლაზერის სინათლის სხივები უნდა იყოს ფოკუსირებული მინის ბურთზე, რომელიც შეიცავს დეიტერიუმის და ტრიტიუმის მძიმე იზოტოპების ნარევს. ლაზერული დანადგარების ექსპერიმენტებში უკვე მიღებულია პლაზმა რამდენიმე ათეული მილიონი გრადუსი ტემპერატურით.
ხდება ურანის ბირთვების დაშლა შემდეგი გზით:ჯერ ნეიტრონი ურტყამს ბირთვს, როგორც ტყვია ვაშლს. ვაშლის შემთხვევაში, ტყვია მას ან ნახვრეტს გაუკეთებდა, ან ნაჭრებად უბერავდა. როდესაც ნეიტრონი შედის ბირთვში, ის იჭერს ბირთვულ ძალებს. ცნობილია, რომ ნეიტრონი ნეიტრალურია, ამიტომ ის არ მოიგერიება ელექტროსტატიკური ძალებით.
როგორ ხდება ურანის ბირთვის დაშლა?
ასე რომ, ბირთვში შესვლის შემდეგ, ნეიტრონი არღვევს წონასწორობას და ბირთვი აღფრთოვანებულია. ის გადაჭიმულია გვერდებზე, როგორც ჰანტელი ან უსასრულობის ნიშანი: ∞ . როგორც ცნობილია, ბირთვული ძალები მოქმედებენ ნაწილაკების ზომის თანაზომიერ მანძილზე. როდესაც ბირთვი იჭიმება, ბირთვული ძალების მოქმედება უმნიშვნელო ხდება "ჰანტელის" გარე ნაწილაკებისთვის, ხოლო ელექტრული ძალები ძალიან ძლიერად მოქმედებენ ასეთ მანძილზე და ბირთვი უბრალოდ ორ ნაწილად იყოფა. ამ შემთხვევაში კიდევ ორი ან სამი ნეიტრონი გამოიყოფა.
ბირთვული ფრაგმენტები და გამოთავისუფლებული ნეიტრონები დიდი სიჩქარით იფანტება სხვადასხვა მხარეები. ფრაგმენტები საკმაოდ სწრაფად ანელებს გარემოს მიერ, მაგრამ მათი კინეტიკური ენერგია უზარმაზარია. იგი გარდაიქმნება გარემოს შინაგან ენერგიად, რომელიც თბება. ამ შემთხვევაში გამოთავისუფლებული ენერგიის რაოდენობა უზარმაზარია. ერთი გრამი ურანის სრული დაშლის შედეგად მიღებული ენერგია დაახლოებით უდრის 2,5 ტონა ნავთობის დაწვის შედეგად მიღებულ ენერგიას.
რამდენიმე ბირთვის დაშლის ჯაჭვური რეაქცია
ჩვენ შევხედეთ ურანის ერთი ბირთვის დაშლას. დაშლის დროს გამოიყოფა რამდენიმე (ჩვეულებრივ ორი ან სამი) ნეიტრონი. ისინი დიდი სიჩქარით იშლებიან და ადვილად შედიან სხვა ატომების ბირთვებში, რაც იწვევს მათში დაშლის რეაქციას. ეს არის ჯაჭვური რეაქცია.
ანუ ბირთვული დაშლის შედეგად მიღებული ნეიტრონები აღაგზნებს და აიძულებს სხვა ბირთვებს დაშლას, რომლებიც თავის მხრივ გამოყოფენ ნეიტრონებს, რომლებიც აგრძელებენ შემდგომი დაშლის სტიმულირებას. და ასე შემდეგ, სანამ არ მოხდება ურანის ყველა ბირთვის დაშლა უშუალო სიახლოვეს.
ამ შემთხვევაში შეიძლება მოხდეს ჯაჭვური რეაქცია ზვავის მსგავსიმაგალითად, ატომური ბომბის აფეთქების შემთხვევაში. ბირთვული დაშლის რაოდენობა იზრდება გეომეტრიული პროგრესიამოკლე დროში. თუმცა, შეიძლება მოხდეს ჯაჭვური რეაქციაც შესუსტებით.
ფაქტია, რომ ყველა ნეიტრონი არ ხვდება თავის გზაზე ბირთვებს, რომლებსაც ისინი იწვევენ დაშლას. როგორც გვახსოვს, ნივთიერების შიგნით ძირითად მოცულობას ნაწილაკებს შორის არსებული სიცარიელე იკავებს. ამიტომ, ზოგიერთი ნეიტრონი დაფრინავს მთელ მატერიაში ისე, რომ არ შეჯახება რაიმეს გზაზე. და თუ დროთა განმავლობაში ბირთვული დაშლის რაოდენობა მცირდება, მაშინ რეაქცია თანდათან ქრება.
ბირთვული რეაქციები და ურანის კრიტიკული მასა
რა განსაზღვრავს რეაქციის ტიპს?ურანის მასიდან. რაც უფრო დიდია მასა, მით მეტ ნაწილაკს შეხვდება მფრინავი ნეიტრონი თავის გზაზე და მით მეტია ბირთვში მოხვედრის შანსი. აქედან გამომდინარე, გამოირჩევა ურანის "კრიტიკული მასა" - ეს არის მინიმალური მასა, რომელზეც შესაძლებელია ჯაჭვური რეაქცია.
წარმოებული ნეიტრონების რაოდენობა ტოლი იქნება იმ ნეიტრონების რაოდენობას, რომლებიც გაფრინდებიან. და რეაქცია გაგრძელდება დაახლოებით იგივე სიჩქარით, სანამ არ წარმოიქმნება ნივთიერების მთელი მოცულობა. ეს პრაქტიკაში გამოიყენება ატომურ ელექტროსადგურებში და ეწოდება კონტროლირებადი ბირთვული რეაქცია.
ბირთვული ჯაჭვური რეაქცია. ურანის ნეიტრონების დასხივებაზე ჩატარებული ექსპერიმენტების შედეგად დადგინდა, რომ ნეიტრონების გავლენით ურანის ბირთვები იყოფა ორ ბირთვად (ფრაგმენტად), რომელთა მასა და მუხტი დაახლოებით ნახევარია; ამ პროცესს თან ახლავს რამდენიმე (ორი ან სამი) ნეიტრონის ემისია (სურ. 402). ურანის გარდა, ბოლო ელემენტებიდან ზოგიერთ სხვა ელემენტს შეუძლია დაშლა პერიოდული ცხრილიმენდელეევი. ეს ელემენტები, ისევე როგორც ურანი, იშლება არა მხოლოდ ნეიტრონების გავლენის ქვეშ, არამედ გარე ზემოქმედების გარეშე (სპონტანურად). სპონტანური გაყოფა ექსპერიმენტულად დაადგინეს საბჭოთა ფიზიკოსებმა კ.ა.პეტრჟაკმა და გეორგი ნიკოლაევიჩ ფლეროვმა (დ. 1913 წ.) 1940 წელს. ძალიან იშვიათი პროცესია. ამრიგად, 1 გ ურანში საათში მხოლოდ 20 სპონტანური გაყოფა ხდება.
ბრინჯი. 402. ურანის ბირთვის დაშლა ნეიტრონების გავლენით: ა) ბირთვი იჭერს ნეიტრონს; ბ) ნეიტრონის ზემოქმედება ბირთვზე იწვევს ამ უკანასკნელის რხევას; გ) ბირთვი დაყოფილია ორ ნაწილად; ამავე დროს გამოიყოფა კიდევ რამდენიმე ნეიტრონი
ორმხრივი ელექტროსტატიკური მოგერიების გამო, დაშლის ფრაგმენტები იფანტება საპირისპირო მიმართულებით, იძენს უზარმაზარ კინეტიკურ ენერგიას (დაახლოებით). ამრიგად, დაშლის რეაქცია ხდება ენერგიის მნიშვნელოვანი განთავისუფლებით. სწრაფად მოძრავი ფრაგმენტები ინტენსიურად იონიზებს გარემოს ატომებს. ფრაგმენტების ეს თვისება გამოიყენება იონიზაციის კამერის ან ღრუბლის კამერის გამოყენებით დაშლის პროცესების გამოსავლენად. ღრუბლის პალატაში დაშლის ფრაგმენტების კვალის ფოტო ნაჩვენებია ნახ. 403. ძალზე მნიშვნელოვანია, რომ ურანის ბირთვის დაშლის დროს გამოსხივებულ ნეიტრონებს (ე.წ. მეორადი დაშლის ნეიტრონები) შეუძლიათ გამოიწვიონ ახალი ურანის ბირთვების დაშლა. ამის წყალობით, შესაძლებელია განხორციელდეს დაშლის ჯაჭვური რეაქცია: როგორც კი მოხდება, რეაქცია შეიძლება, პრინციპში, გაგრძელდეს თავისით და მოიცავს ყველაფერს. უფრო დიდი რაოდენობაბირთვები. ასეთი მზარდი უჯრედის რეაქციის განვითარების დიაგრამა ნაჩვენებია ნახ. 404.
ბრინჯი. 403. ურანის დაშლის ფრაგმენტების კვალის ფოტო ღრუბელ კამერაში: ფრაგმენტები () საპირისპირო მიმართულებით დაფრინავენ ურანის თხელი ფენიდან, რომელიც დეპონირებულია ფირფიტაზე, რომელიც ბლოკავს კამერას. სურათზე ასევე ჩანს ბევრი უფრო თხელი კვალი, რომლებიც მიეკუთვნება პროტონებს, რომლებიც ნეიტრონების მიერ ამოვარდნილი წყლის მანქანის მოლეკულებიდან კამერაშია.
გაყოფის ჯაჭვური რეაქციის განხორციელება პრაქტიკაში ადვილი არ არის; გამოცდილება აჩვენებს, რომ ჯაჭვური რეაქცია არ ხდება ბუნებრივი ურანის მასაში. ამის მიზეზი მეორადი ნეიტრონების დაკარგვაშია; ბუნებრივ ურანში ნეიტრონების უმეტესობა გადის დაშლის გარეშე. როგორც კვლევებმა აჩვენა, ნეიტრონების დაკარგვა ხდება ურანის ყველაზე გავრცელებულ იზოტოპში - ურანი - 238 (). ეს იზოტოპი ადვილად შთანთქავს ნეიტრონებს ნეიტრონებთან ვერცხლის რეაქციის მსგავსი რეაქციით (იხ. § 222); ეს წარმოქმნის ხელოვნურად რადიოაქტიურ იზოტოპს. იგი ძნელად იყოფა და მხოლოდ სწრაფი ნეიტრონების გავლენით.
იზოტოპს, რომელიც შეიცავს ბუნებრივ ურანს, აქვს უფრო ხელსაყრელი თვისებები ჯაჭვური რეაქციისთვის. იგი იყოფა ნებისმიერი ენერგიის ნეიტრონების გავლენით - სწრაფი და ნელი და რაც უფრო დაბალია ნეიტრონის ენერგია მით უკეთესი. პროცესი, რომელიც კონკურენციას უწევს დაშლას - ნეიტრონების მარტივი შთანთქმა - ნაკლებად სავარაუდოა, განსხვავებით. ამიტომ, სუფთა ურანი-235-ში შესაძლებელია დაშლის ჯაჭვური რეაქცია, იმ პირობით, რომ ურანი-235-ის მასა საკმარისად დიდია. დაბალი მასის ურანში დაშლის რეაქცია წყდება მისი ნივთიერების გარეთ მეორადი ნეიტრონების გამოსხივების გამო.
ბრინჯი. 404. ღირებული დაშლის რეაქციის განვითარება: პირობითად მიღებულია, რომ ბირთვის დაშლისას ორი ნეიტრონი გამოიყოფა და არ ხდება ნეიტრონების დაკარგვა, ე.ი. ყოველი ნეიტრონი იწვევს ახალ დაშლას; წრეები - დაშლის ფრაგმენტები, ისრები - დაშლის ნეიტრონები
სინამდვილეში, ატომის ბირთვების მცირე ზომის გამო, ნეიტრონი გადის მნიშვნელოვან მანძილს (სანტიმეტრებში) მატერიაში, სანამ შემთხვევით არ შეეჯახება ბირთვს. თუ სხეულის ზომა მცირეა, მაშინ გასასვლელის გზაზე შეჯახების ალბათობა მცირეა. თითქმის ყველა მეორადი დაშლის ნეიტრონი გამოიყოფა სხეულის ზედაპირზე ახალი დაშლის გარეშე, ანუ რეაქციის გაგრძელების გარეშე.
დიდი სხეულიდან, ძირითადად, ზედაპირულ ფენაში წარმოქმნილი ნეიტრონები გამოდიან. სხეულის შიგნით წარმოქმნილ ნეიტრონებს წინ აქვთ ურანის საკმარისი სისქე და, უმეტესწილად, იწვევს ახალ გაყოფას, რაც აგრძელებს რეაქციას (ნახ. 405). რაც უფრო დიდია ურანის მასა, მით უფრო მცირეა მისი მოცულობის პროპორცია ზედაპირული ფენა, საიდანაც ბევრი ნეიტრონი იკარგება და უფრო ხელსაყრელი პირობებია ჯაჭვური რეაქციის განვითარებისთვის.
ბრინჯი. 405. გაყოფის ჯაჭვური რეაქციის განვითარება ქ. ა) დაბალი მასის დროს დაშლის ნეიტრონების უმეტესობა გაფრინდება. ბ) ურანის დიდ მასაში მრავალი დაშლის ნეიტრონი იწვევს ახალი ბირთვების დაშლას; განყოფილებების რაოდენობა თაობიდან თაობას იზრდება. წრეები - დაშლის ფრაგმენტები, ისრები - დაშლის ნეიტრონები
ოდენობის თანდათან გაზრდით, მივაღწევთ კრიტიკულ მასას, ანუ უმცირეს მასას, საიდანაც იწყება დაშლის დაუოკებელი ჯაჭვური რეაქცია. მასის შემდგომი მატებასთან ერთად რეაქცია დაიწყებს სწრაფ განვითარებას (იგი დაიწყება სპონტანური გახლეჩებით). როდესაც მასა კრიტიკულ მნიშვნელობას ქვემოთ იკლებს, რეაქცია კვდება.
ასე რომ, დაშლის ჯაჭვური რეაქცია შეიძლება განხორციელდეს. თუ თქვენ გაქვთ საკმარისი რაოდენობის სუფთა, გამოყოფილი.
როგორც §202-ში ვნახეთ, იზოტოპების გამოყოფა, მიუხედავად იმისა, რომ რთული და ძვირია, მაინც განხორციელებადი ოპერაციაა. მართლაც, ბუნებრივი ურანის მოპოვება იყო დაშლის ჯაჭვური რეაქციის პრაქტიკაში დანერგვის ერთ-ერთი გზა.
ამასთან, ჯაჭვური რეაქცია მიღწეული იქნა სხვა გზით, რომელიც არ მოითხოვდა ურანის იზოტოპების გამოყოფას. ეს მეთოდი გარკვეულწილად უფრო რთულია პრინციპში, მაგრამ უფრო ადვილია განხორციელება. იგი იყენებს სწრაფი მეორადი დაშლის ნეიტრონების შენელებას თერმული მოძრაობის სიჩქარეებამდე. ჩვენ ვნახეთ, რომ ბუნებრივ ურანში უშუალო მეორადი ნეიტრონები შეიწოვება ძირითადად იზოტოპის მიერ. ვინაიდან შეწოვა არ იწვევს დაშლას, რეაქცია წყდება. როგორც გაზომვები გვიჩვენებს, როდესაც ნეიტრონები შენელდება თერმულ სიჩქარემდე, შთანთქმის უნარი უფრო იზრდება, ვიდრე შთანთქმის უნარი. იზოტოპის მიერ ნეიტრონების შეწოვას, რაც იწვევს დაშლას, უპირატესობა აქვს. ამიტომ, თუ დაშლის ნეიტრონები შენელდება, რაც ხელს უშლის მათ აბსორბციას, ჯაჭვური რეაქცია შესაძლებელი გახდება ბუნებრივი ურანის საშუალებით.
ბრინჯი. 406. ბუნებრივი ურანის სისტემა და მოდერატორი, რომელშიც შეიძლება განვითარდეს დაშლის ჯაჭვური რეაქცია
პრაქტიკაში ეს შედეგი მიიღწევა მოდერატორში იშვიათი გისოსის სახით ბუნებრივი ურანის ცხელი ღეროების მოთავსებით (სურ. 406). ნივთიერებები, რომლებსაც აქვთ დაბალი ატომური მასა და სუსტად შთანთქავენ ნეიტრონებს, გამოიყენება მოდერატორებად. კარგი მოდერატორია გრაფიტი, მძიმე წყალი და ბერილიუმი.
დაე, მოხდეს ურანის ბირთვის დაშლა ერთ-ერთ ღეროში. ვინაიდან ღერო შედარებით თხელია, თითქმის ყველა სწრაფი მეორადი ნეიტრონი გადადის მოდერატორში. ღეროები განლაგებულია საკმაოდ მწირად გისოსებში. გამოსხივებული ნეიტრონი, სანამ ახალ ღეროზე მოხვდება, განიცდის მრავალ შეჯახებას მოდერატორ ბირთვებთან და ანელებს თერმული მოძრაობის სიჩქარეს (სურ. 407). ურანის ღეროზე მოხვედრის შემდეგ ნეიტრონი დიდი ალბათობით შეიწოვება და გამოიწვევს ახალ გაყოფას, რითაც გააგრძელებს რეაქციას. დაშლის ჯაჭვური რეაქცია პირველად განხორციელდა აშშ-ში 1942 წელს. მეცნიერთა ჯგუფი იტალიელი ფიზიკოსის ენრიკო ფერმის (1901-1954) ხელმძღვანელობით ბუნებრივი ურანის სისტემაში. ეს პროცესი დამოუკიდებლად განხორციელდა სსრკ-ში 1946 წელს. აკადემიკოსი იგორ ვასილიევიჩ კურჩატოვი (1903-1960) და მისი თანამშრომლები.
ბრინჯი. 407. ღირებული დაშლის რეაქციის შემუშავება ბუნებრივი ურანის და მოდერატორის სისტემაში. სწრაფი ნეიტრონი, რომელიც გამოდის თხელი ღეროდან, შედის მოდერატორში და შენელებულია. ურანში დაბრუნების შემდეგ, შენელებული ნეიტრონი დიდი ალბათობით შეიწოვება ში, რაც იწვევს გაყოფას (სიმბოლო: ორი თეთრი წრე). ზოგიერთი ნეიტრონი შეიწოვება დაშლის გარეშე (სიმბოლო: შავი წრე)
>> ურანის ბირთვების დაშლა
§ 107 ურანის ბირთვების დაშლა
მხოლოდ ზოგიერთი მძიმე ელემენტის ბირთვები შეიძლება დაიყოს ნაწილებად. ბირთვების დაშლისას ორი ან სამი ნეიტრონი და -სხივი გამოიყოფა. ამავე დროს, ბევრი ენერგია გამოიყოფა.
ურანის დაშლის აღმოჩენა.ურანის ბირთვების დაშლა აღმოაჩინეს 1938 წელს გერმანელმა მეცნიერებმა ო.ჰან ი.ფ. სტრასმანი. მათ დაადგინეს, რომ ურანის დაბომბვისას ნეიტრონები წარმოიქმნება პერიოდული სისტემის შუა ნაწილის ელემენტები: ბარიუმი, კრიპტონი და ა. 1939 წლის დასაწყისი. ინგლისელი ფიზიკოსიო.ფრიში ავსტრიელ ფიზიკოს ლ.მეიტნერთან ერთად.
ნეიტრონის დაჭერა არღვევს ბირთვის სტაბილურობას. ბირთვი აგზნდება და ხდება არასტაბილური, რაც იწვევს მის ფრაგმენტებად დაყოფას. ბირთვული დაშლა შესაძლებელია, რადგან მძიმე ბირთვის დანარჩენი მასა მეტია დაშლის შედეგად წარმოქმნილი ფრაგმენტების დანარჩენი მასების ჯამს. მაშასადამე, ხდება ენერგიის გამოყოფა, რომელიც ექვივალენტურია დასვენების მასის შემცირებისას, რაც თან ახლავს გაყოფას.
მძიმე ბირთვების დაშლის შესაძლებლობა ასევე შეიძლება აიხსნას სპეციფიკური შებოჭვის ენერგიის გრაფიკით A მასის რიცხვთან მიმართებაში (იხ. სურ. 13.11). პერიოდულ სისტემაში ბოლო ადგილებს იკავებს ელემენტების ატომების ბირთვების სპეციფიკური შებოჭვის ენერგია (A 200) დაახლოებით 1 მევ-ით ნაკლებია პერიოდული სისტემის შუაში მდებარე ელემენტების ბირთვებში (A 100) სპეციფიკური შებოჭვის ენერგიაზე. . მაშასადამე, პერიოდული ცხრილის შუა ნაწილში არსებული მძიმე ბირთვების ელემენტების ბირთვებად დაყოფის პროცესი ენერგიულად ხელსაყრელია. დაშლის შემდეგ სისტემა შემოდის მდგომარეობაში მინიმალური შიდა ენერგიით. ყოველივე ამის შემდეგ, რაც უფრო დიდია ბირთვის შეკვრის ენერგია, მით მეტია ენერგია, რომელიც უნდა გათავისუფლდეს ბირთვის აღმოცენებისას და, შესაბამისად, მით ნაკლებია ახლად წარმოქმნილი სისტემის შიდა ენერგია.
ბირთვული დაშლის დროს, ერთ ნუკლეონზე შემაკავშირებელი ენერგია იზრდება 1 მევ-ით და გამოთავისუფლებული მთლიანი ენერგია უზარმაზარი უნდა იყოს - 200 მევ-ს ოდენობით. არცერთი სხვა ბირთვული რეაქცია (რომელიც არ არის დაკავშირებული დაშლასთან) არ ათავისუფლებს ასეთ დიდ ენერგიას.
ურანის ბირთვის დაშლის დროს გამოთავისუფლებული ენერგიის პირდაპირი გაზომვები დაადასტურა ზემოაღნიშნული მოსაზრებები და მისცა მნიშვნელობა 200 მევ. უფრო მეტიც, ამ ენერგიის უმეტესი ნაწილი (168 მევ) მოდის ფრაგმენტების კინეტიკურ ენერგიაზე. სურათზე 13.13 ხედავთ ურანის დაშლილი ფრაგმენტების კვალს ღრუბელ კამერაში.
ბირთვული დაშლის დროს გამოთავისუფლებული ენერგია ელექტროსტატიკური და არა ბირთვული წარმოშობისაა. ფრაგმენტების დიდი კინეტიკური ენერგია წარმოიქმნება მათი კულონის მოგერიების გამო.
ბირთვული დაშლის მექანიზმი.ატომის ბირთვის დაშლის პროცესი შეიძლება აიხსნას ბირთვის წვეთოვანი მოდელის საფუძველზე. ამ მოდელის მიხედვით, ნუკლეონების თაიგული დამუხტული სითხის წვეთს წააგავს (სურ. 13.14, ა). ნუკლეონებს შორის ბირთვული ძალები მოკლე დიაპაზონია, ისევე როგორც თხევადი მოლეკულებს შორის მოქმედი ძალები. პროტონებს შორის ელექტროსტატიკური მოგერიების დიდ ძალებთან ერთად, რომლებიც ბირთვის ნაწილებად დაშლას მიდრეკილნი არიან, არსებობს კიდევ უფრო დიდი მიზიდულობის ბირთვული ძალები. ეს ძალები იცავს ბირთვს დაშლისგან.
ურანი-235 ბირთვი სფერული ფორმისაა. დამატებითი ნეიტრონის შთანთქმის შემდეგ ის აღგზნდება და იწყებს დეფორმაციას, იძენს წაგრძელებულ ფორმას (ნახ. 13.14, ბ). ბირთვი დაიჭიმება მანამ, სანამ მოგრძო ბირთვის ნახევრებს შორის მოზიდული ძალები არ დაიწყებენ ჭარბობას იმ მიზიდულ ძალებზე, რომლებიც მოქმედებენ ისთმუსში (სურ. 13.14, გ). ამის შემდეგ ის ორ ნაწილად იშლება (სურ. 13.14, დ).
კულონის მოგერიების ძალების გავლენით ეს ფრაგმენტები მიფრინავს სინათლის სიჩქარის 1/30-ის ტოლი სიჩქარით.
ნეიტრონების გამოყოფა დაშლის დროს.ბირთვული დაშლის ფუნდამენტური ფაქტი არის ორ-სამ ნეიტრონის ემისია დაშლის პროცესში. სწორედ ამის წყალობით გახდა შესაძლებელი ბირთვული ენერგიის პრაქტიკული გამოყენება.
შესაძლებელია იმის გაგება, თუ რატომ გამოიყოფა თავისუფალი ნეიტრონები შემდეგი მოსაზრებებიდან გამომდინარე. ცნობილია, რომ ნეიტრონების რაოდენობის შეფარდება სტაბილურ ბირთვებში პროტონების რაოდენობასთან იზრდება ატომური რიცხვის მატებასთან ერთად. ამრიგად, დაშლის დროს წარმოქმნილ ფრაგმენტებში ნეიტრონების შედარებითი რაოდენობა უფრო მეტია, ვიდრე დასაშვებია პერიოდული ცხრილის შუაში მდებარე ატომების ბირთვებისთვის. შედეგად, დაშლის პროცესში რამდენიმე ნეიტრონი გამოიყოფა. მათი ენერგია აქვს სხვადასხვა მნიშვნელობა- რამდენიმე მილიონი ელექტრონ ვოლტიდან ძალიან მცირემდე, ნულთან ახლოს.
გაყოფა ჩვეულებრივ ხდება ფრაგმენტებად, რომელთა მასები განსხვავდება დაახლოებით 1,5-ჯერ. ეს ფრაგმენტები ძალიან რადიოაქტიურია, რადგან ისინი შეიცავს ნეიტრონების ჭარბ რაოდენობას. რიგი თანმიმდევრული დაშლის შედეგად, საბოლოოდ მიიღება სტაბილური იზოტოპები.
დასასრულს აღვნიშნავთ, რომ ასევე ხდება ურანის ბირთვების სპონტანური დაშლა. იგი აღმოაჩინეს საბჭოთა ფიზიკოსებმა გ.ნ. ფლეროვმა და კ.ა. ეს ორ მილიონჯერ აღემატება ურანის ნახევარგამოყოფის პერიოდს.
ბირთვული დაშლის რეაქციას თან ახლავს ენერგიის გამოყოფა.
გაკვეთილის შინაარსი გაკვეთილის შენიშვნებიდამხმარე ჩარჩო გაკვეთილის პრეზენტაციის აჩქარების მეთოდები ინტერაქტიული ტექნოლოგიები ივარჯიშე ამოცანები და სავარჯიშოები თვითშემოწმების სემინარები, ტრენინგები, შემთხვევები, კვესტები საშინაო დავალების განხილვის კითხვები რიტორიკული კითხვები სტუდენტებისგან ილუსტრაციები აუდიო, ვიდეო კლიპები და მულტიმედიაფოტოები, ნახატები, გრაფიკა, ცხრილები, დიაგრამები, იუმორი, ანეგდოტები, ხუმრობები, კომიქსები, იგავი, გამონათქვამები, კროსვორდები, ციტატები დანამატები რეფერატებისტატიების ხრიკები ცნობისმოყვარე საწოლებისთვის სახელმძღვანელოები ძირითადი და ტერმინების დამატებითი ლექსიკონი სხვა სახელმძღვანელოების და გაკვეთილების გაუმჯობესებასახელმძღვანელოში არსებული შეცდომების გასწორებასახელმძღვანელოში ფრაგმენტის განახლება, გაკვეთილზე ინოვაციის ელემენტები, მოძველებული ცოდნის ახლით ჩანაცვლება მხოლოდ მასწავლებლებისთვის სრულყოფილი გაკვეთილებიწლის კალენდარული გეგმა გაიდლაინებისადისკუსიო პროგრამები ინტეგრირებული გაკვეთილებიფიზიკის გაკვეთილი მე-9 კლასში
„ურანის ბირთვების დაშლა. Ჯაჭვური რეაქცია"
გაკვეთილის მიზანი:გააცნოს მოსწავლეებს ურანის ატომის ბირთვების დაშლის პროცესი და ჯაჭვური რეაქციის მექანიზმი.
Დავალებები:
საგანმანათლებლო:
ურანი-235 ბირთვების დაშლის მექანიზმის შესწავლა; კრიტიკული მასის ცნების გაცნობა; განსაზღვრავს ფაქტორებს, რომლებიც განსაზღვრავენ ჯაჭვური რეაქციის წარმოქმნას.
საგანმანათლებლო:
უბიძგებს სტუდენტებს მეცნიერული აღმოჩენების მნიშვნელობის გაგებას და საფრთხე, რომელიც შეიძლება მოდიოდეს სამეცნიერო მიღწევებიმათ მიმართ დაუფიქრებელი, გაუნათლებელი ან ამორალური დამოკიდებულებით.
განვითარებადი:
ლოგიკური აზროვნების განვითარება; მონოლოგური და დიალოგური მეტყველების განვითარება; მოსწავლეებში გონებრივი ოპერაციების განვითარება: ანალიზი, შედარება, სწავლა. სამყაროს სურათის მთლიანობის იდეის ჩამოყალიბება
გაკვეთილის ტიპი:ახალი ცოდნის შესწავლის გაკვეთილი.
კომპეტენციები, რომელთა განვითარებაც გაკვეთილის მიზანია:
ღირებულებით-სემანტიკური - ჩვენს გარშემო სამყაროს დანახვის და გაგების უნარი,
ზოგადი კულტურული - მოსწავლის მიერ ოსტატობა სამეცნიერო სურათიმშვიდობა,
საგანმანათლებლო და შემეცნებითი - ფაქტების სპეკულაციისგან განასხვავების უნარი,
კომუნიკაცია - ჯგუფური მუშაობის უნარები, გუნდში სხვადასხვა სოციალური როლების დაუფლება,
პიროვნული თვითგაუმჯობესების კომპეტენციები - აზროვნებისა და ქცევის კულტურა
გაკვეთილის მიმდინარეობა: 1. ორგანიზაციული მომენტი.
მოვიდა ახალი გაკვეთილი. მე გაგიღიმებ შენ კი ერთმანეთს. და თქვენ იფიქრებთ: რა კარგია, რომ დღეს ყველა ერთად ვართ. ჩვენ ვართ მოკრძალებული და კეთილი, მეგობრული და მოსიყვარულე. ჩვენ ყველანი ჯანმრთელები ვართ. - ღრმად ამოისუნთქე და ამოისუნთქე. ამოისუნთქეთ გუშინდელი წყენა, ბრაზი და შფოთვა. ყველას ვუსურვებ კარგი გაკვეთილი .
2. საშინაო დავალების შემოწმება.
ტესტი.
1. რა მუხტი აქვს ბირთვს?
1) დადებითი 2) უარყოფითი 3) ბირთვს არ აქვს მუხტი
2. რა არის ალფა ნაწილაკი?
1) ელექტრონი 2) ბირთვის ჰელიუმის ატომი
3. რამდენ პროტონს და ნეიტრონს შეიცავს ბერილიუმის ატომის ბირთვი?
1) Z =9, N =4 2) Z =5, N =4 3) Z =4, N =5
4. ბირთვი რა ქიმიური ელემენტიწარმოიქმნება α – რადიუმის დაშლის დროს?
რა → ? + ის.
1) რადონი 2) ურანი 3) ფერმიუმი
5. ბირთვის მასა ყოველთვის არის ... იმ ნუკლეონების მასების ჯამი, საიდანაც იგი შედგება.
1) მეტი 2) უდრის 3) ნაკლები
6. ნეიტრონი არის ნაწილაკი
1) მუხტი +1, ატომური მასა 1;
2) მუხტის მქონე – 1, ატომური მასა 0;
3) მუხტი 0, ატომური მასა 1.
7.მიუთითეთ ბირთვული რეაქციის მეორე პროდუქტი
პასუხები: ვარიანტი 1. 1)1; 2)2; 3)3; 4)1; 5)3; 6)3; 7)3.
8. როგორ ურთიერთქმედებენ ბირთვში პროტონები ერთმანეთთან ელექტრულად?
9. რა არის მასობრივი დეფექტი? ჩამოწერეთ ფორმულა.
10. რა არის შებოჭვის ენერგია? ჩამოწერეთ ფორმულა.
ახალი მასალის სწავლა.
ცოტა ხნის წინ გავიგეთ, რომ ზოგიერთი ქიმიური ელემენტი გარდაიქმნება სხვა ქიმიურ ელემენტებად რადიოაქტიური დაშლის დროს. როგორ ფიქრობთ, რა მოხდება, თუ რაიმე ნაწილაკს გაუგზავნით რაიმე ქიმიური ელემენტის ატომის ბირთვში, მაგალითად, ნეიტრონს ურანის ბირთვში?
1939 წელს გერმანელმა მეცნიერებმა ოტო ჰანმა და ფრიც შტრასმანმა აღმოაჩინეს ურანის ბირთვების დაშლა. მათ აღმოაჩინეს, რომ როდესაც ურანი ნეიტრონებით იბომბება, პერიოდული ცხრილის შუა ნაწილის ელემენტები ჩნდება - ბარიუმის რადიოაქტიური იზოტოპები (Z = 56), კრიპტონი (Z = 36) და ა.შ.
განვიხილოთ უფრო დეტალურად ურანის ბირთვის დაშლის პროცესი ნეიტრონით დაბომბვისას ნახაზის მიხედვით. ურანის ბირთვში შემავალი ნეიტრონი მას შთანთქავს. ბირთვი აღელვებს და იწყებს დეფორმაციას, როგორც თხევადი წვეთი.
ბირთვი აგზნებულია და იწყებს დეფორმაციას. რატომ იყოფა ბირთვი 2 ნაწილად? რა ძალების ქვეშ ხდება რღვევა?
რა ძალები მოქმედებენ ბირთვის შიგნით?
- ელექტროსტატიკური და ბირთვული.
კარგი, მაგრამ როგორ ვლინდება ელექტროსტატიკური ძალები?
– დამუხტულ ნაწილაკებს შორის მოქმედებს ელექტროსტატიკური ძალები. ბირთვში დამუხტული ნაწილაკი არის პროტონი. ვინაიდან პროტონი დადებითად არის დამუხტული, ეს ნიშნავს, რომ მათ შორის მოქმედებენ ამაღელვებელი ძალები.
მართალია, მაგრამ როგორ ვლინდება ბირთვული ძალები?
- ბირთვული ძალები არის მიზიდულობის ძალები ყველა ნუკლეონს შორის.
მაშ, რა ძალების ქვეშ იშლება ბირთვი?
– (თუ სირთულეები წარმოიქმნება, ვსვამ სახელმძღვანელო კითხვებს და მივყავართ მოსწავლეებს სწორ დასკვნამდე)ელექტროსტატიკური მოგერიების ძალების ზემოქმედებით ბირთვი იშლება ორ ნაწილად, რომლებიც ერთმანეთს შორდებიან სხვადასხვა მიმართულებით და გამოყოფენ 2-3 ნეიტრონს.
იგი გადაჭიმულია მანამ, სანამ ელექტრული ამაღელვებელი ძალები არ დაიწყებენ გაბატონებას ბირთვულზე. ბირთვი იშლება ორ ფრაგმენტად, ათავისუფლებს ორ ან სამ ნეიტრონს. ეს არის ურანის ბირთვის დაშლის ტექნოლოგია.
ფრაგმენტები ძალიან დიდი სიჩქარით მიფრინავს. გამოდის, რომ ბირთვის შინაგანი ენერგიის ნაწილი გარდაიქმნება მფრინავი ფრაგმენტებისა და ნაწილაკების კინეტიკურ ენერგიად. ფრაგმენტები იშლება გარემო. როგორ ფიქრობთ, რა ხდება მათ თავს?
– ფრაგმენტები გარემოში შენელებულია.
ენერგიის შენარჩუნების კანონი რომ არ დაირღვეს, უნდა ვთქვათ, რა ბედი ეწევა კინეტიკურ ენერგიას?
– ფრაგმენტების კინეტიკური ენერგია გარდაიქმნება გარემოს შინაგან ენერგიად.
შეგიძლიათ შეამჩნიოთ, რომ შეიცვალა მედიუმის შიდა ენერგია?
– დიახ, გარემო თბება.
გავლენას მოახდენს თუ არა შიდა ენერგიის ცვლილებაზე ის ფაქტი, რომ ურანის ბირთვების სხვადასხვა რაოდენობა მიიღებს მონაწილეობას დაშლაში?
– რა თქმა უნდა, დიდი რაოდენობით ურანის ბირთვების ერთდროული დაშლით, იზრდება ურანის მიმდებარე გარემოს შიდა ენერგია.
თქვენი ქიმიის კურსიდან თქვენ იცით, რომ რეაქციები შეიძლება მოხდეს როგორც ენერგიის შთანთქმით, ასევე გამოყოფით. რა შეგვიძლია ვთქვათ ურანის ბირთვების დაშლის რეაქციის მიმდინარეობაზე?
– ურანის ბირთვების დაშლის რეაქცია ათავისუფლებს ენერგიას გარემოში.
(სლაიდი 13)
ურანი ბუნებაში გვხვდება ორი იზოტოპის სახით: U (99.3%) და U (0.7%). ამ შემთხვევაში, U-ის დაშლის რეაქცია ყველაზე ინტენსიურად ხდება ნელი ნეიტრონების დროს, ხოლო U ბირთვები უბრალოდ შთანთქავენ ნეიტრონს და დაშლა არ ხდება. მაშასადამე, მთავარი ინტერესი არის U ბირთვის დაშლის რეაქცია. ამჟამად ცნობილია დაახლოებით 100 სხვადასხვა იზოტოპი მასობრივი ნომრით 90-დან 145-მდე, რომლებიც წარმოიქმნება ამ ბირთვის დაშლის დროს. ორი ტიპიური რეაქციებიამ ბირთვის განყოფილებებს აქვთ ფორმა:
აღვნიშნოთ, რომ ურანის ბირთვების დაშლის დროს გამოთავისუფლებული ენერგია უზარმაზარია. მაგალითად, 1 კგ ურანში შემავალი ყველა ბირთვის სრული დაშლის შედეგად გამოიყოფა იგივე ენერგია, რაც 3000 ტონა ნახშირის წვისას. უფრო მეტიც, ეს ენერგია შეიძლება მყისიერად განთავისუფლდეს.
(სლაიდი 14)
ჩვენ გავარკვიეთ რა დაემართება ფრაგმენტებს, როგორ მოიქცევიან ნეიტრონები?
როდესაც ურანი-235 ბირთვი იშლება, რაც გამოწვეულია ნეიტრონთან შეჯახებით, გამოიყოფა 2 ან 3 ნეიტრონი. ხელსაყრელ პირობებში ამ ნეიტრონებს შეუძლიათ ურანის სხვა ბირთვებზე დარტყმა და მათი დაშლა გამოიწვიოს. ამ ეტაპზე გამოჩნდება 4-დან 9-მდე ნეიტრონი, რომლებსაც შეუძლიათ გამოიწვიონ ურანის ბირთვების ახალი დაშლა და ა.შ. ეს ზვავის მსგავსი პროცესი ე.წ. ჯაჭვური რეაქცია. (ჩაწერეთ ბლოკნოტში: ბირთვული ჯაჭვური რეაქცია- ბირთვული რეაქციების თანმიმდევრობა, რომელთაგან თითოეული გამოწვეულია ნაწილაკით, რომელიც რეაქციის პროდუქტის სახით გამოჩნდა მიმდევრობის წინა საფეხურზე). უფრო დეტალურად განვიხილავთ ურანის ბირთვების დაშლის ჯაჭვური რეაქციის განვითარების დიაგრამას ნელი მოძრაობით ვიდეო ფრაგმენტის გამოყენებით.
ჩვენ ვხედავთ, რომ თავისუფალი ნეიტრონების საერთო რაოდენობა ურანის ნაჭერში დროთა განმავლობაში ზვავის მსგავსად იზრდება. რა შეიძლება გამოიწვიოს ამან?
- აფეთქებამდე.
რატომ?
– იზრდება ბირთვული დაშლის რაოდენობა და, შესაბამისად, გამოთავისუფლებული ენერგია ერთეულ დროში.
მაგრამ ასევე შესაძლებელია სხვა ვარიანტიც, რომელშიც თავისუფალი ნეიტრონების რაოდენობა დროთა განმავლობაში მცირდება და ნეიტრონი არ ხვდება ბირთვს გზაზე. Ამ შემთხვევაში რა მოუვა ჯაჭვურ რეაქციას?
- გაჩერდება.
შესაძლებელია თუ არა ასეთი რეაქციების ენერგიის გამოყენება მშვიდობიანი მიზნებისთვის?
როგორ უნდა მიმდინარეობდეს რეაქცია?
– რეაქცია უნდა მიმდინარეობდეს ისე, რომ ნეიტრონების რაოდენობა დროთა განმავლობაში მუდმივი დარჩეს.
როგორ შეგვიძლია დავრწმუნდეთ, რომ ნეიტრონების რაოდენობა მუდმივად მუდმივი დარჩეს?
– (ბიჭების წინადადებები)
ამ პრობლემის გადასაჭრელად, თქვენ უნდა იცოდეთ რა ფაქტორები ახდენს გავლენას ზრდასა და შემცირებაზე საერთო რაოდენობანეიტრონები თავისუფალია ურანის ნაჭერში, რომელშიც ჯაჭვური რეაქცია ხდება.
(სლაიდი 15)
ერთ-ერთი ასეთი ფაქტორია ურანის მასა . ფაქტია, რომ ბირთვული დაშლის დროს გამოსხივებული ყველა ნეიტრონი არ იწვევს სხვა ბირთვების დაშლას. თუ ურანის ნაწილის მასა (და, შესაბამისად, ზომები) ძალიან მცირეა, მაშინ ბევრი ნეიტრონი გამოფრინდება მისგან, არ ექნება დრო, რომ გზად ბირთვს შეხვდეს, რაც გამოიწვევს მის დაშლას და ამგვარად წარმოქმნის ახალ თაობას. ნეიტრონები, რომლებიც აუცილებელია რეაქციის გასაგრძელებლად. ამ შემთხვევაში ჯაჭვური რეაქცია შეჩერდება. იმისათვის, რომ რეაქცია გაგრძელდეს, აუცილებელია ურანის მასის გაზრდა გარკვეულ მნიშვნელობამდე, ე.წ კრიტიკული.
რატომ ხდება ჯაჭვური რეაქცია შესაძლებელი მასის მატებასთან ერთად?
ჯაჭვური რეაქცია რომ მოხდეს, აუცილებელია ე.წ რეპროდუქციის მაჩვენებელინეიტრონები ერთზე მეტი იყო. სხვა სიტყვებით რომ ვთქვათ, ყოველ მომდევნო თაობაში უნდა იყოს მეტი ნეიტრონი, ვიდრე წინა. გამრავლების კოეფიციენტი განისაზღვრება არა მხოლოდ თითოეულ ელემენტარულ აქტში წარმოქმნილი ნეიტრონების რაოდენობით, არამედ იმ პირობებით, რომლებშიც ხდება რეაქცია - ნეიტრონების ნაწილი შეიძლება შეიწოვოს სხვა ბირთვებმა ან დატოვოს რეაქციის ზონა. ურანი-235-ის ბირთვების დაშლის დროს გამოთავისუფლებულ ნეიტრონებს შეუძლიათ გამოიწვიონ მხოლოდ იმავე ურანის ბირთვების დაშლა, რაც ბუნებრივი ურანის მხოლოდ 0,7%-ს შეადგენს. ეს კონცენტრაცია არასაკმარისია ჯაჭვური რეაქციის დასაწყებად. U იზოტოპს ასევე შეუძლია ნეიტრონების შთანთქმა, მაგრამ ეს არ იწვევს ჯაჭვურ რეაქციას.
(ჩაწერეთ ბლოკნოტში: ნეიტრონის გამრავლების ფაქტორიკ - შემდგომი თაობის ნეიტრონების რაოდენობის თანაფარდობა წინა თაობის რიცხვთან ნეიტრონების გამრავლების გარემოს მთელ მოცულობაში)
ჯაჭვური რეაქცია ურანში გაზრდილი შინაარსიურანი-235 შეიძლება განვითარდეს მხოლოდ მაშინ, როდესაც ურანის მასა აჭარბებს ე.წ. კრიტიკულ მასას. ურანის პატარა ნაჭრებში ნეიტრონების უმეტესობა გამოფრინდება ბირთვის გარეშე. სუფთა ურანი-235-ისთვის კრიტიკული მასა არის დაახლოებით 50 კგ.
(ჩაწერეთ ბლოკნოტში: Კრიტიკული მასა- დაშლელი მასალის მინიმალური რაოდენობა, რომელიც საჭიროა თვითშენარჩუნებული დაშლის ჯაჭვური რეაქციის დასაწყებად).
(სლაიდი 16)
ურანის კრიტიკული მასა შეიძლება ბევრჯერ შემცირდეს ეგრეთ წოდებული ნეიტრონული მოდერატორების გამოყენებით. ფაქტია, რომ ურანის ბირთვების დაშლის დროს წარმოქმნილ ნეიტრონებს აქვთ ძალიან მაღალი სიჩქარე და ურანი-235 ბირთვების მიერ ნელი ნეიტრონების დაჭერის ალბათობა ასჯერ მეტია, ვიდრე სწრაფი. ნეიტრონების საუკეთესო მოდერატორი არის მძიმე წყალი H 2 O. ნეიტრონებთან ურთიერთობისას ჩვეულებრივი წყალი თავად იქცევა მძიმე წყალში.
გრაფიტი, რომლის ბირთვები არ შთანთქავს ნეიტრონებს, ასევე კარგი მოდერატორია. დეიტერიუმთან ან ნახშირბადის ბირთვებთან ელასტიური ურთიერთქმედების დროს ნეიტრონები ანელებენ მათ მოძრაობას.
ნეიტრონების მოდერატორებისა და სპეციალური ბერილიუმის გარსის გამოყენება, რომელიც ასახავს ნეიტრონებს, შესაძლებელს ხდის კრიტიკული მასის შემცირებას 250 გ-მდე (0,25 კგ).
ჩაწერეთ ბლოკნოტში:
კრიტიკული მასა შეიძლება შემცირდეს, თუ:
გამოიყენეთ მოდერატორები (გრაფიტი, ჩვეულებრივი და მძიმე წყალი)
ამრეკლავი გარსი (ბერილიუმი)).
ხოლო ატომურ ბომბებში უკონტროლო ბირთვული ჯაჭვური რეაქცია ხდება მაშინ, როდესაც ურანი-235-ის ორი ცალი სწრაფად შერწყმულია, რომელთაგან თითოეულს აქვს მასა ოდნავ ქვემოთ კრიტიკულზე.
ატომური ბომბი საშინელი იარაღია. რომლის დამაზიანებელი ფაქტორებია: 1) სინათლის გამოსხივება (მათ შორის რენტგენი და თერმული გამოსხივება); 2) შოკის ტალღა; 3) ტერიტორიის რადიაციული დაბინძურება. მაგრამ ურანის ბირთვების დაშლა ასევე გამოიყენება მშვიდობიანი მიზნებისთვის - ბირთვულ რეაქტორებში ატომურ ელექტროსადგურებში. შემდეგ გაკვეთილზე განვიხილავთ ამ შემთხვევებში მიმდინარე პროცესებს.
მე-20 საუკუნის შუა პერიოდი განისაზღვრება მეცნიერების აჩქარებით: ფანტასტიკური აჩქარება, მეცნიერული მიღწევების დანერგვა წარმოებაში და ჩვენს ცხოვრებაში. ეს ყველაფერი გვაფიქრებინებს – რას მოგვცემს მეცნიერება ხვალ?
ადამიანის არსებობის ყველა სიძნელეების შემსუბუქება ჭეშმარიტად პროგრესული მეცნიერების მთავარი მიზანია. კაცობრიობის გახარება - არა მხოლოდ ერთი, არა ორი, არამედ კაცობრიობა. და ეს ძალიან მნიშვნელოვანია, რადგან, მოგეხსენებათ, მეცნიერებასაც შეუძლია იმოქმედოს ადამიანის წინააღმდეგ. ამის ტრაგიკული მაგალითია იაპონიის ქალაქებში ჰიროშიმასა და ნაგასაკის ატომური აფეთქება.
ასე რომ, 1945 წელი, აგვისტო. მეორე Მსოფლიო ომიდასასრულს უახლოვდება.
(სლაიდი 2)
6 აგვისტოს, დილის 1:45 საათზე, კუნძულიდან აფრინდა ამერიკული B-29 ბომბდამშენი პოლკოვნიკ პოლ ტიბეტსის მეთაურობით, რომელიც ჰიროშიმადან დაახლოებით 6 საათის მანძილზე იყო.
(სლაიდი 3)
ჰიროშიმა ატომური აფეთქების შემდეგ.
ვისი ჩრდილი იქ ტრიალებს უხილავად,
ბრმა ხარ უბედურებისგან?
ეს არის ჰიროშიმა, რომელიც ტირის
ფერფლის ღრუბლებში.
ვისი ხმაა ცხელ სიბნელეში?
გესმის სიგიჟე?
ნაგასაკი ტირის
დამწვარ მიწაზე
ამ ტირილსა და ტირილში
სიცრუე არ არის
მთელი მსოფლიო გაიყინა მოლოდინში -
ვინ იტირებს შემდეგ?
(სლაიდი 4)
აფეთქების პირდაპირი ზემოქმედების შედეგად დაღუპულთა რიცხვი 70-დან 80 ათასამდე ადამიანი იყო. 1945 წლის ბოლოსთვის, რადიოაქტიური დაბინძურების და აფეთქების სხვა შემდგომი ეფექტების გამო, დაღუპულთა საერთო რაოდენობა 90-დან 166 ათასამდე ადამიანი იყო. 5 წლის შემდეგ დაღუპულთა საერთო რაოდენობამ 200 000 ადამიანს მიაღწია.
(სლაიდი 5)
6 აგვისტოს, ჰიროსიმას წარმატებული ატომური დაბომბვის შესახებ ინფორმაციის მიღების შემდეგ, აშშ-ს პრეზიდენტმა ტრუმენმა განაცხადა, რომ
„ახლა მზად ვართ გავანადგუროთ, კიდევ უფრო სწრაფად და სრულად, ვიდრე ადრე, იაპონელების ყველა სახმელეთო წარმოების ობიექტი ნებისმიერ ქალაქში. ჩვენ გავანადგურებთ მათ დოკებს, ქარხნებსა და მათ კომუნიკაციებს. დაე, არ იყოს გაუგებრობა - ჩვენ მთლიანად გავანადგურებთ იაპონიის უნარს ომის წარმოებაში. ”
(სლაიდი 6)
9 აგვისტოს, 2:47 საათზე, კუნძულიდან აფრინდა ამერიკული B-29 ბომბდამშენი მაიორის მეთაურობით, რომელსაც ატომური ბომბი ატარებდა. 10:56 B-29 ჩავიდა ნაგასაკიში. აფეთქება ადგილობრივი დროით 11:02 საათზე მოხდა.
(სლაიდი 7)
დაღუპულთა რიცხვი 1945 წლის ბოლოსთვის მერყეობდა 60-დან 80 ათას ადამიანამდე. 5 წლის შემდეგ, დაღუპულთა საერთო რაოდენობამ, კიბოსგან და აფეთქების სხვა გრძელვადიანი შედეგების ჩათვლით, შესაძლოა მიაღწია ან გადააჭარბა 140 000-ს.
ეს არის ამბავი, სამწუხარო და გამაფრთხილებელი
ყველა ადამიანი არ არის კუნძული,
ყველა ადამიანი დიდი კონტინენტის ნაწილია.
და არასოდეს იკითხო, ვისთვის რეკავს ზარი.
ის გირეკავს...
კონსოლიდაცია.
რა ვისწავლეთ დღეს კლასში? (ურანის ბირთვების დაშლის მექანიზმით, ჯაჭვური რეაქციით)
რა პირობებია ჯაჭვური რეაქციის განვითარებისთვის?
რა არის კრიტიკული მასა?
რა არის რეპროდუქციის მაჩვენებელი?
რა ემსახურება ნეიტრონის მოდერატორს?
ანარეკლი.
რას გრძნობ, როცა გაკვეთილს ტოვებ?
შეფასება.
საშინაო დავალება: პუნქტები 74,75, კითხვები გვ.252-253