Техничка школа „ТЕХНОАРТ”

ПИСАНА ПРИПРЕМА НАСТАВНИКА

ЗА НЕПОСРЕДАН ОБРАЗОВНO – ВАСПИТНИ РАД СА УЧЕНИЦИМА

Професор: Радован Ковачевић

Предмет Ф И З И К А Смер Техничар за компјутерско управљање

Машински техничар за компјутерско конструисање Недељни

фонд часова 2

Наставна

област С Т Р У К Т У Р А А Т О М С К О Г Ј Е З Г Р А

Редни број

области 7

Наставна

јединица Нуклеарна фисија и фузија

Редни број

часа 60

Тип часа Обрада Облици рада Фронтални

Циљеви Упознавање ученика са посебним обликом нуклеарних реакција и њиховом значају у пракси

Задаци

Образовни: проширити знање из области нуклеарних реакција, као и особина атомског језгра

Васпитни: прихватање мишљења и аргумената других особа

Функционални: развијање логичког мишљења и закључивања

Наставне

методе Дијалошка, илустративна

Наставна

средства Табла, креда, цртежи

Kорелаcije Хемија

ТОК ЧАСА:

УВОДНИ ДЕО: 5 – 10 МИН.______________________________________________________________________

Како би се обновили основни појмови о нуклеарним реакцијама, наставник поставља питања, ученици одговарају.

Уколико ученици не знају тачан одговор на неко питање, наставник поставља потпитања како би их навео да дођу

до исправног одговора.

ПИТАЊЕ: Шта су то нуклеарне реакције?

ОДГОВОР: То су реакције које доводе до трансформације једног језгра у друго међусобном интеракцијом или

интеракцијом са другим честицама

ПИТАЊЕ: Који закони важе при нуклеарним реакцијама?

ОДГОВОР: Закони одржања енергије, наелектрисања, импулса, момента импулса...

ПИТАЊЕ: Какве су то егзотермне, а какве су ендотермне нуклеарне реакције?

ОДГОВОР: Егзотермне нуклеарне реакције су оне код којих се ослобађа енергија, а ендотермене су оне код којих

је потребно уложити енергију да би се оне одвијале.

ПИТАЊЕ: Шта представља вештачка радиоактивност, и ко је први открио?

ОДГОВОР: Вештачка радиоактивност представља претварање стабилних језгара у нестабилна (радиоактивна)

језгра, интеракцијом са алфа честицама, неутронима, протонима, и другим честицама. Открили у је Ирена и

Фредерик Жолио Кири 1934.године, за шта су добили Нобелову награду за хемију 1935.године.

Ирена и Фредерик су заједно са српским физикохемичарем Павлом Савићем радили на интеракцији неутрона са

масивним језгрима (језгра урана). Они су бомбардовали језгро урана спорим неутронима како би добили нове,

вештачке изотопе, и на тај начин проучавали вештачку радиоактивност. У тим реакцијама, запазили су да као

продукте реакције, не добијају једно, већ два нова језгра, али ту појаву нису знали да објасне. И баш као што је

Ернесту Радерфорду измакло откриће вештачке радиоактивности, тако је и овим научницима измакло откриће

једне посебне нуклеарне реакције – нуклеарне фисије.

ГЛАВНИ ДЕО ЧАСА: 25 – 30 МИН._______________________________________________________________

Наставник:

- на табли исписује наслов Нуклеарна фисија и фузија;

- предаје лекцију о нуклеарној фисији, а затим и фузији;

- на табли пише битне детаље, нуклеарне реакције;

- наводи адекватне примере.

Ученици:

- прате наставниково излагање;

- учествују у дијалогу са наставником.

Нуклаерна Фисија Специјални случај нуклеарних реакција је процес фисије (цепања) језгара атома неких хемијских елемената.

Нуклеарна реакција у којој долази до деобе (цепања) језгра атома тешких хемијских елемената на два нова

језгра, при чему се емитују 2-3 неутрона, и гама зраци, назива се нуклеарна фисија. Нуклеарна фисија може да се оствари дејством обично неутрона, на језгра торијума или урана, а може и да настане

спонтано код неких трансуранских елемената. Новонастала језгра у процесу нуклеарне фисије, обично се називају

фисиони продукти или фрагменти.

1938. године, Ото Хан и Фриц Штрасман

објављују рад о нуклеарној фисији. Са

њима је у раду учествовала и Лиза

Мајтнер, која је дала теоријско објашњење

фисије и начин одређивања енергије

ослобођене распадом, али је Нобелову

награду (за хемију) за откриће нуклеарне

фисије 1944. године, добио само Ото Хан.

Редни бројеви новонасталих језгара припадају средишњем делу периодног система елемената, а њихове масе се

међусобно односе као 2:3. Процес фисије језгара атома тешких елемената може се објаснити помоћу криве која

показује зависност енергије везе по нуклеону од масеног броја.Та крива показује да је енергија везе код елемената

која заузимају последња места у периодном систему, мања за око 1 МеV од енергије везе елемената која се налазе

у средишњем делу периодног система, и зато су погодна за цепање. Процес фисије прати и издвајање релативно

велике енергије, око 200 МеV по једном акту фисије.

Посебну погодност са енергијског аспекта, има и то, што се у сваком фисионом догађају ослободе просечно 2-3

неутрона, који у одређеним условима могу да одржавају фисиони процес дуже времена.

У општем случају, процес нуклеарне фисије може се приказати на следећи начин:

На пример, или

Енергија која се ослобађа при фисији једног језгра атома

изотопа урана износи око 200 МеV-а већи део те

енергије односи се на кинетичку енергију новонасталих

језгара, а остали део енергије се распоређује на

неутроне, бета честице и гама зрачење,које прати процес

фисије. Приликом фисије језгра атома садржаних у 1

граму урана издваја се енергија око 80GЈ (еквивалентно

5 тона угља, или 3000 литара нафте). Продукти фисије

(новонастала језгра) у већини случајева су радиоактивни

и серијским бета распадом и испуштањем гама фотона,

они прелазе у нова, релативно стабилна језгра.

Нуклеарна фисија се обично запажа код тешких језгара.

Међутим неутрони високих енергија (од неколико

стотина МеV-а) могу да узрокују и фисију лакших

језгара, мада су то веома ретки случајеви.

Да би се остварила фисија атомског језгра, неопходно је утрошити неку мнималну енергију, названу енергија

активације. Ако је енергија побуђивања мања од енергије активације, деформација језгра, не може достићи

критично стање и не може настати фисија језгра. За тешка језгра атома, енергија активације износи 5-7 МеV-а.

Вредност те енергије има исти ред величине као и специфична енергија везе тих језгара. Приликом сваког акта

фисије, издваја се енергија око 200 МеV-а по језгру атома урана, али то је мала вредност енергије, да би могла

имати неку практичну примену,која подразумевамного веће вредности енергије. Та енергија се може добити ако у

фисионом процесу истовремено, или у кратком интервалу времена учествује велики број језгара атома. Процесом

фисије, ослобађају се 2-3 неутрона који могу бити искоришћени за одржавање, контролу и управљање фисионим

процесом. Пошто интерагују са суседним језгрима, они могу проузроковати деобе нових језгара, повећавајући тако

интензитет фисионог процеса. Такав процес фисије атомских језгара назива се ланчана реакција, и шематски се

може приказати на слици:

У идеалним условима, када би сви неутрони настали у фисионом

процесу, узроковали деобу нових језгара, теда би се број

неутрона у свакој следећој генерацији производа ланчане

реакције, увећавао по геометријској прогресији, али се то у

стварним околностима не дешава, јер се у интеракцији неутрона

са језгрима дешавају и други процеси. Коначне димензије

нуклеарне супстанције, и велика продорна моћ условљавају да

многи од њих напусте активну средину, пре него што изврше

деобу језгра. Осим тога, део неутрона апсорбују језгра атома

разних примеса која нису подложна процесу фисије, тако да се

они искључују из даљег процеса ланчане реакције. Минималне

размере нуклеарне супстанце, при којима је могуће остварити

процес ланчане реакције, називају се критичне размере.

Минимална маса фисионе супстанце у којој је могуће остварити

процес ланчане реакције, назива се критична маса, а запремина

која одговара тој маси – критична запремина.

Однос броја неутрона у једној генерацији, нуклеарне ланчане реакције, према броју неутрона у претходној

генерацији, назива се коефицијент умножавања неутрона. Неопходан услов за одвијање ланчане реакције, је да

тај однос буде већи од јединице (нуклеарна бомба) или једнак јединици (нуклеарни реактор).

1 235

0 92 фрагменти фисије 2 до 3 неутрона n U енергија

1 235 150 83 1

0 92 57 35 0 3n U La Br n 1 235 140 94 1

0 92 55 37 0 2n U Cs Rb n

1 2

1 2

1 235 1

0 92 0 X Y (2-3)A A

Z Zn U n E

Нуклеарна Фузија

Поред фисије тешких језгара, постоји још једна врста нуклеарних реакција а то је нуклеарна фузија. Фузија

представља спајање (синтезу) атомских језгара лаких хемијских елемената. Процес фузјије је супротан процесу

фисије, и веома је битан извор енергије у будућности. Међутим, при спајању два лакша језгра у једно теже, постоји

проблем. Који? Пошто су језгра позитивно наелектрисана, потребно је савладати одбојну електростатичку

(Кулонову) силу која се јавља између њих. Зато је потребно да језгра имају велику енергију да би могла савладати

одбојне електричне силе. У принципу, постоје два основна начина остваривања нуклеарне фузије:

- убрзавањем језгара помоћу акцелератора до великих брзина и

- обезбеђивањем високих температура (око 107 К) супстанције у којој се врши процес фузије.

На високим температурама,језгра поседујувелику енергију топлотног кретања која омогућава савлађивање

одбојних електричних сила између језгара и њихово спајање. Ови нуклеарни процеси се називају и

термонуклеарне реакције, јер се остварују у условима високих температура.

У процесу нуклеарне фузије (спајања) два лака језгра у једно ново језгро, ослобађа се још већа енергија по једном

нуклеону него при нуклеарној фисији.

Пример за нуклеарну фузију може се навести синтеза деутеријума и трицијума у језгро хелијума:

+ 17,6 МеV-а односно 3,52 МеV-а по нуклеону

Ради подсећања, при фисији урана добија се енергија око 200 МеV-а, одн. 0,85 МеV-а по нуклеону. Види се да је

процес фузије енергетски ефикаснији, односно добија се 4 пута више енергије него што је то у случају фисије.

Процес контролисане фузије представља готово неисцрпан извор енергије који још увек није добијен у земаљским

условима.

ЗАВРШНИ ДЕО ЧАСА: 5 – 10 МИН._______________________________________________________________

Ученици постављају питања ако им је нешто остало нејасно, или желе да сазнају више о процесима

нуклеарне фисије и фузије. Постављањем питања, поновити значење појмова, као што су: фисија, фисиони

продукти, услов настанка фисије, ланчана реакција, критична маса и запремина супстанције, као и услов

одржавања ланчане реакције. Затим поновити појам фузије и условима који су потребни да би се процес фузије

остварио. Са ученицима провежбати неке од нуклеарних реакција, ради бољег разумевања основних закона у

природи – закона о одржању енергије, и закон одржања наелектрисања.

ПИТАЊЕ: Шта је то нуклеарна фисија?

ОДГОВОР: Нуклеарна фисија је нуклеарна реакција у којој долази до деобе (цепања) језгра атома тешких

хемијских елемената на два нова језгра, при чему се емитују 2-3 неутрона, и гама зраци.

ПИТАЊЕ: Шта су то фрагменти нуклеарне фисије?

ОДГОВОР: Фрагменти, или фисиони продукти су новонастала језгра у процесу нуклеарне фисије.

ПИТАЊЕ: Који је услов настанка фисије, одн. кад фисија језгра може да настане?

ОДГОВОР: Услов настанка фисије јесте да неутрон, који бомбардује језгро, има довољну енергију да изазове

процес фисије, која се назива енергија активације.

ПИТАЊЕ: Описати процес ланчане нуклеарне реакције.

ОДГОВОР: Процесом фисије, ослобађају се 2-3 неутрона који могу бити искоришћени за одржавање, контролу и

управљање фисионим процесом. Пошто интерагују са суседним језгрима, они могу проузроковати

деобе нових језгара, повећавајући тако интензитет фисионог процеса. Такав процес фисије атомских

језгара назива се ланчана реакција.

ПИТАЊЕ: Шта представљају појмови критична маса и критична запремина?

ОДГОВОР: Минимална маса фисионе супстанце у којој је могуће остварити процес ланчане реакције, назива се

критична маса, а запремина која одговара тој маси – критична запремина.

ПИТАЊЕ: Шта је то нуклеарна фузија? Наведи пример.

ОДГОВОР: Фузија представља спајање (синтезу) атомских језгара лаких хемијских елемената. На пример, синтеза

деутеријума и трицијума у језгро хелијума

ПИТАЊЕ: При којим условима је могуће остварити процес нуклеарне фузије?

ОДГОВОР: Фузија се може остварити:

- убрзавањем језгара помоћу акцелератора до великих брзина и

- обезбеђивањем високих температура (око 107 К) супстанције у којој се врши процес фузије.

Примери неких нуклеарних реакција:

4 14 17 1

2 7 8 1 He N O H 1 10 7 4

0 5 3 2 n B Li He 16 2 14 4

8 1 7 2 O H N He

2 3 4 1

1 1 2 0H T He n