Деление ядер урана

урок физики 11 класс

Автор: учитель физики высшей квалификационной категории Харитошина О.В.МОУ СОШ №24 г. Рязань

Назови частицу

n 1

0

p 1

1

e 0

-1

q ≈ - 1,6 . 10-19 Кл q ≈ + 1,6 . 10-19 Кл

m ≈ 9,1 . 10-31 кг m ≈ 2000 . me

q =0

m ≈ 2000 . me

Входит в состав ядра. Её число округленное массовое число минус порядковый номер элемента.

Входит в состав ядра. Её число равно порядковому номеру элемента.

В атоме вращается вокруг положительно заряженного ядра.

Если атом её теряет, то образуется положительный ион, а если приобретает , то образуется отрицательный ион.

Если ядро атома её теряет или приобретает , то образуется новый элемент.

Если ядро атома её теряет или приобретает , то образуется изотоп этого же элемента.

1

121110

88

654

32

7

Фамилия, имя оценка

Проверь ответы

n 1

0

p 1

1

e 0

-1

q ≈ - 1,6 . 10-19 Кл q ≈ + 1,6 . 10-19 Кл

m ≈ 9,1 . 10-31 кг m ≈ 2000 . me

q =0

m ≈ 2000 . me

Входит в состав ядра. Её число округленное массовое число минус порядковый номер элемента.

Входит в состав ядра. Её число равно порядковому номеру элемента.

В атоме вращается вокруг положительно заряженного ядра.

Если атом её теряет, то образуется положительный ион, а если приобретает , то образуется отрицательный ион.

Если ядро атома её теряет или приобретает , то образуется новый элемент.

Если ядро атома её теряет или приобретает , то образуется изотоп этого же элемента.

1

121110

98

654

32

7

электрон

электрон

электрон

электрон

протон

протон

протон

протоннейтрон

нейтрон

нейтрон

нейтрон

зарядовое число зарядовое число зарядовое число

массовое число массовое число массовое число

Ядерными реакциями называют изменение атомных ядер при

взаимодействии их с элементарными частицами или друг с другом.

Ядерные реакции происходят: Частицы вплотную приближаются к ядру и попадают в

сферу действия ядерных сил, им сообщается большая энергия.

Деление ядер атомов- это самопроизвольное, или под действием нейтронов, раскалывание ядра атома на две примерно равные части, на два "осколка".

Открытие деления ядер уран

• В 1938 г. О.Ган и Ф.Штрассман открыли, что при бомбардировке урана нейтронами образуются другие элементы.

• В 1939 г. О.Фриш и Л.Мейтнер дали правильное истолкование этого факта, именно как деление ядра урана, захватившего нейтрон.

О.Ган(1879–1968)

Здание Института химии в Берлине,где О.Ган и Ф.Штрассманн открыли (1938) деление ядер урана

Ф.Штрассманн (1902–1980)

nЛ.Мейтнер и О.Фриш объяснили это явление так. Чем больше и массивнее ядро атома, тем менее оно устойчиво. Когда в такое неустойчивое ядро атома попадает какая-либо посторонняя частица, она сообщает ему добавочную энергию, отчего ядро приходит в бурное движение — становится возбужденным и при некоторых определенных условиях может и вовсе развалиться.

Поэтому ничего нет удивительного в том, что ядро атома урана, и без того малоустойчивое, захватив нейтрон, вместо того чтобы выбросить одну или несколько частиц, как это происходило при обстреле атомов более легких элементов, неожиданно распадается. Этот процесс был назван ядерной реакцией деления.

Капельная модель ядра

Согласно этой модели сгусток нуклонов напоминает капельку заряженной жидкости

скорость осколков = 1/30 скорости света

• возбуждается • деформируется ( ядро вытягивается, ядерные силы

ослабевают при увеличении расстояний между нуклонами)

• разрывается на две части с излучением при этом 2-3 нейтронов

Атом урана, поглотив нейтрон

Фундаментальный факт ядерного деления –

испускание в процессе деления 2–3 нейтронов.

Благодаря этому оказалось возможным практическое использование внутриядерной

энергии.

• Поглощая нейтрон, ядро урана получает необходимую энергию для преодоления ядерных сил притяжения между нуклонами, при этом внутренняя энергия ядра увеличивается.

• При распаде ядра часть внутренней энергии переходит в кинетическую энергию осколков, а затем за счет торможения их во внутреннюю энергию окружающей среды.

• Реакция деления ядер урана идет с преобладающим выделением энергии в окружающую среду.

Механизм деления ядра

nFяд > FэлПРИТ > ОТТАЛК

r ≈10-15м

nnnFяд < Fэл

γ- излучение

nFяд > FэлПРИТ > ОТТАЛК

r ≈10-15м

nnnFяд < Fэл

γ- излучение

γ- излучение

Fяд > FэлПРИТ > ОТТАЛК

r ≈10-15

м

Fяд < Fэл

92U 235

236

92U

144

56Ba

36Kr89

скорость нейтрона ≈ 1000м/с n 1

0

n 1

0

n 1

0

n 1

0

nЛ.Мейтнер и О.Фриш объяснили это явление так. Чем больше и массивнее ядро атома, тем менее оно устойчиво. Когда в такое неустойчивое ядро атома попадает какая-либо посторонняя частица, она сообщает ему добавочную энергию, отчего ядро приходит в бурное движение — становится возбужденным и при некоторых определенных условиях может и вовсе развалиться.

Примеры реакций распада ядер урана

92

U 235 236

92U

36Kr89144

56Ba Qn

1

0

n 1

0

3

38Sr

95

54 Xe

139

92U

235 236

92U Qn

1

0

n 1

0

2

55 Cs

140

37Rb

94

92U

235 236

92U Qn

1

0

n 1

0

2

1

2

nЛ.Мейтнер и О.Фриш объяснили это явление так. Чем больше и массивнее ядро атома, тем менее оно устойчиво. Когда в такое неустойчивое ядро атома попадает какая-либо посторонняя частица, она сообщает ему добавочную энергию, отчего ядро приходит в бурное движение — становится возбужденным и при некоторых определенных условиях может и вовсе развалиться.

проверка

по закону сохранения зарядового числа 92+0=92=54+39+0 92+0=92=55+37=92

92=92=92 92=92=92 по закону сохранения массового числа235+1=236=139+95+2 235+1=236=140+94+2 236=236=236 236=236=236

nЛ.Мейтнер и О.Фриш объяснили это явление так. Чем больше и массивнее ядро атома, тем менее оно устойчиво. Когда в такое неустойчивое ядро атома попадает какая-либо посторонняя частица, она сообщает ему добавочную энергию, отчего ядро приходит в бурное движение — становится возбужденным и при некоторых определенных условиях может и вовсе развалиться.

Одновременно выделяется большая энергия

Делится на части могут только ядра некоторых тяжелых элементов

При делении образуются два новых ядра, испускаются два-три нейтрона и γ-лучи

При делении ядра урана выделяется

Q ≈ 200 МэВ 3,2 . 10-11 Дж

80% -кинетическая энергия осколковQ

3% -энергия нейтроновQ

4% -энергия гамма излученияQ

13% -энергия радиоактивного распадаQ

При полном делении всех ядер имеющихся в 1 грамме урана выделяется энергия ,которую можно получить, сжигая 3 тонны угля или 2,5 тонны нефти.

В единичном акте деления одного ядра урана получается в 108 раз больше энергии, чем в единичном акте окисления одного атома углерода – самого распространенного способа производства энергии путем сжигания органического топлива.

• Именно с этим связано освоение и широкомасштабное использование человечеством ядерной энергии. В настоящее время в мире работают 450 ядерных энергетических реакторов, многие из которых эксплуатируются более 20 лет.

• В России функционируют 10 станций.

в Уиндскейле (Англия) в 1957 году, в США на станции Три Майл в 1979 году, в СССР на Чернобыльской станции в

1986 году.

С вводом каждого нового блока увеличиваются риски, связанные с использованием атомной энергии. Главным образом эти риски связаны с выбросами и сбросами радионуклидов за пределы АЭС в аварийных ситуациях.

• До настоящего времени произошли три серьезные аварии на ядерных реакторах.

26 апреля 1986года

В 1934 г. Ф. Жолио-Кюри высказал предположение о возможности использования энергии ядерных реакций в практических целях, если удастся осуществить цепные ядерные реакции. Эта гипотеза получила экспериментальное подтверждение.

Частицами, способными к осуществлению цепных реакций, оказались нейтроны. При благоприятных условиях освобождающиеся в первой реакции нейтроны могут попасть в другие ядра урана и вызвать их деление. При делении 3 ядер урана должно освобождаться от 6 до 9 новых нейтронов, они попадут в новые ядра урана и т.д.

Цепная реакция деления ядер урана

• Цепная реакция деления ядер урана — это реакция, в которой частицы (нейтроны), вызывающие эту реакцию, образуются в процессе деления ядра.

• Таким образом, появляется возможность осуществления разветвляющейся, ускоряющейся цепной реакции деления ядер атомов с выделением огромного количества энергии.

• Вылетевшие нейтроны могут вызвать деление двух-трёх аналогичных ядер, если те окажутся поблизости и если нейтроны попадут в них.

В результате деления ядра, инициированного нейтроном, возникают новые нейтроны, способные вызвать реакции деления других ядер.

Схема развития цепной реакции

Осуществление цепной реакции

Природный уран представляет собой смесь трех изотопов:

• – уран-238 (238U) – содержание 99,2745%, период полураспада T » 4,468 млрд лет;

• – уран-235 (235U) – 0,714%, T » 0,7038 млрд лет;• – уран-234 (234U) – 0,0055%, T » 0,245 млрд лет.

Для осуществления цепной реакции пригодны лишь ядра U-235 (из встречающихся в природе)

Ядра U-235 делятся как быстрыми, так и медленными нейтронами, U-238 — только быстрыми с энергией 1 МэВ. Нейтронов с такой энергией при делении 60%, но только один из пяти производит деление (цепная реакция невозможна).

Осуществление цепной реакции

k-коэффициент размножения нейтронов

Для осуществления цепной реакции необходимо, чтобы среднее число освобожденных нейтронов в данной массе урана не уменьшалось с течением времени

при k > 1 при k < 1 цепная реакция невозможна цепная реакция идет

Коэффициент размножения нейтронов – отношение числа нейтронов в каком-либо «поколении» к числу нейтронов предшествующего «поколения»

Коэффициент размножения нейтронов определяется четырьмя фактами

1 захватом медленных нейтронов U-235с последующим делением и захватом быстрых нейтронов U-235 и U-238 с последующим делением

4 вылетом нейтронов из делящегося вещества

3 захватом нейтронов продуктами деления, замедлителем, конструктивными элементами установки

2 захватом нейтронов ядрами урана без деления

Цепная ядерная реакция

критическая масса делящегося вещества

U-235U-238Pu-239

Ядерное горючее k > 1

Минимальное значение массы делящегося вещества, при которой возможна цепная реакция, называется критической массой. В зависимости от устройства установок и типа горючего критическая масса изменяется от 250г до сотен килограммов.

неуправляемая

управляемая

Два варианта развития цепной реакции

Линейная (управляемая реакция)

Если цепную реакцию держать под контролем, управлять её развитием, не давать ускоряться и постоянно отводить выделяющуюся энергию (тепло), то эту энергию ("атомную энергию") можно использовать либо для отопления, либо для получения электроэнергии.

Устройство, в котором поддерживается управляемая реакция деления ядер, называется ядерным (или атомным) реактором.

АЭСУправление работой АЭС

Взрыв (неуправляемая реакция)Если же позволить цепной реакции развиваться бесконтрольно, то произойдёт атомный (ядерный) взрыв. Неуправляемая ядерная реакция возникает в атомных бомбах. Это уже - ядерное оружие.

Ядерные боеголовки

критическая масса делящегося вещества

U-235U-238Pu-239

Ядерное горючее

Цепная ядерная реакция

k > 1

Два варианта развития цепной реакции

неуправляемая(ядерная бомба) управляемая

(в ядерном реакторе)

деления ядра урана итоги

Задание на дом

• § 108,109- учить• на ? после §§ - отвечать• записать реакции,

приводящие к образованию плутония-239