Структура атомного ядра - частина 2

Ланцюгова реакція. Ядерний реактор.

Ділитися, тобто розпадатися на дві частини, може лише збуджене ядро. Для збудження ядра потрібно передати йому енергію збудження. Це можливо здійснити за допомогою „обстрілу” ядра α-частинками, протонами, але, найбільш ефективно, за допомогою нейтронів. Нейтрони не відштовхуються електростатичними силами від ядра, бо вони електронейтральні. В 1938 – 1939 рр. Була теоретично обґрунтована можливість реакції поділу ядер урану, які обстрілюються нейтронами. Базуючись на крапельній моделі ядра,

цю реакцію можна змалювати таким чином.

Нейтрон n наближається до ядра урану U та захватується ним. Ядро урану внаслідок цього стає збудженим і деформується. Якщо збудження недостатнє для реакції поділу, то ядро урану випромінює γ-фотон чи нейтрон і знову повертається до стійкого стану. Якщо ж енергія збудження достатня, то в ядрі урану утворюється перетяжка, аналогічна перетяжці між двома частинками краплі рідини. Ядерні сили в цій перетяжці вже не можуть протистояти кулонівським силам відштовхування однойменно заряджених частинок ядра. Перетяжка розривається, і ядро поділяється на два „осколки”, котрі розлітаються з великими швидкостями в різні боки. Одночасно з цим випромінюється два-три нейтрона, які мають назву миттєвих. Енергетичний спектр миттєвих нейтронів відповідає дуже широкому діапазону швидкостей – від теплових до 10 МеВ. Нейтрони з швидкостями та енергією вищими за 1,5 МеВ мають назву швидких, а з меншими енергіями – повільних нейтронів; із зовсім малими енергіями – теплові нейтрони. „Осколки” ядра урану є радіоактивними: вони випромінюють γ-фотони, β-частинки та нейтрони; ці нейтрони випромінюються із запізненням протягом кількох хвилин після реакції поділу ядра. Кількість цих пізніх нейтронів сягає 1% від загальної кількості нейтронів, які утворюються під час поділу, але саме вони дають можливість реалізувати керовану реакцію поділу ядер урану.

Найбільш важливими в практичному аспекті матеріалами для ядерних реакцій поділу виявилися елементи: уран-238, актіноуран-235, ізотоп урану-233 та плутоній-239. Ядра урану-238 діляться лише під дією швидких нейтронів; теплові нейтрони поглинаються цим ураном без реакції поділу. Внаслідок реакції поділу вивільняється величезна енергія, яка може бути знищуючою силою – ядерна бомба, або може бути використана у мирних цілях – керована ядерна реакція в ядерних енергетичних реакторах.

Для реалізації керованої ядерної реакції потрібно реалізувати керовану ланцюгову реакцію, в якій при кожному акті поділу з’являються нейтрони, з яких хоча б один викликав би новий акт поділу. Щоб ланцюгова реакція була керованою потрібно мати коефіцієнт розмноження нейтронів дуже близький до одиниці: К = 1,005 – 1,006.

Коефіцієнт розмноження нейтронів – це величина, яка вимірюється відношенням кількості нейтронів, які викликають поділ ядерної речовини на одному з етапів реакції, до кількості нейтронів, котрі викликали поділ речовини на попередньому етапі реакції:

К = Ni / Ni-1.

Ланцюгова реакція взагалі можлива лише за умови, коли к дуже незначно перевищує одиницю; якщо к менший за одиницю, реакція поступово затухне.

Критична маса ядерної речовини – це маса речовини, в якій ланцюгова реакція протікає з коефіцієнтом розмноження нейтронів К = 1.

Для ядерної бомби потрібно мати масу більшу за критичну (К >1 ).

Ядерний енергетичний реактор – це дуже складна фізико-механічна будова, в якій в промислових кількостях отримують ядерну енергію.

Найчастіше реактор працює на збагаченому урані-235 (збагачення до 5%; природній уран має 0,7% урану-235 та 99,3% урану-238).

Ланцюгова реакція відбувається на теплових нейтронах; простір між урановими стрижнями (ТВЕЛами) заповнений уповільнювачем нейтронів – графітом. Внаслідок ланцюгової реакції, яка дуже ретельно контролюється та керується за допомогою керуючих стрижнів, котрі активно поглинають нейтрони, в активній зоні реактора підтримується необхідний коефіцієнт К= 1; теплота, яка виділяється в об’ємі активної зони, за допомогою теплоносія (вода, важка вода, рідкий метал) відводиться з активної зони та потрапляє в парогенератор, де віддає свою енергію-тепло промисловому пару; далі теплота з активної зони перетворюється в механічну, а потім в електричну енергію. Поряд з виділенням теплової енергії в ядерному реакторі відбувається утворення та накопичення нового ядерного елемента – плутонія-239:

(Т1=23 хвил.) (Т2=2,3 доби) (Т3=24100 років)

Ядерні енергетичні реактори використовуються головним чином на ядерних електричних станціях; також вони знайшли застосування в якості силових установок на атомних криголамах та атомних підводних човнах; мають застосування і як джерела нейтронних струменів та радіаційних випромінень для отримання штучних радіоактивних ізотопів.

Реакція ядерного синтезу (термоядерна реакція). Енергія зірок.

Синтез двох або кількох легких ядер в одне супроводжується виділенням ядерної енергії. Наприклад:

Це реакція синтезу ядра гелію з ядер дейтерію та тритію. Якщо таку реакцію реалізувати для всіх ядер в 1 кг суміші дейтерію та тритію, то вивільниться величезна енергія W = 7,2·1014 Дж. Ця енергія більш, ніж у вісім разів перевищує енергію, яка отримується під час реакції поділу 1кг урана-235. Щоб реалізувати реакцію синтезу потрібно наблизити два ядра на відстань дії кулонівських сил (~10-13 см ), виконавши роботу проти кулонівських сил відштовхування. Отже, необхідною умовою реакції синтезу є значна кінетична енергія продуктів реакції (ядер) для виконання роботи проти кулонівських сил відштовхування. Реакція синтезу буде економічно доцільною тільки у випадку нагрівання суміші дейтерію та тритію до величезних температур у десятки мільйонів кельвінів. Тільки в цьому випадку середня кінетична енергія теплового руху атомів суміші сягне потрібного значення приблизно 0,01 МеВ:

Саме внаслідок величезної температури реакція синтезу має назву термоядерної реакції. При такій температурі ядерне „паливо” є плазмою, тобто складається з вільних електронів та оголених ядер без електронних оболонок. В умовах Землі така температура отримана лише в ядерному вибуху, тому і реакція синтезу практично реалізована лише у водневій (термоядерній) бомбі (реакція має вибуховий тип, а не кероване протікання). Реальні спроби керованої термоядерної реакції, наприклад на „Токамак”, успіху поки що не мають.

Термоядерні реакції вірогідно є єдиним джерелом енергії Сонця та Зірок. Одна з таких реакцій має назву „протонно-протонного” циклу; її наслідком є об’єднання чотирьох протонів в ядро гелію з випроміненням γ-фотона, двох нейтрино та двох позитронів:

(позитрон) (нейтрино)

Енергія, яка випромінюється внаслідок кожного р-р-циклу, складає » 25 МеВ, що відповідає 628 ГДж на 1 г водню! Розрахунки вказують, що водню на Сонці досить на тривалий строк – кілька мілліардів років.

1. Явища, що підтверджують складність будови атома. До 70 років XIX ст. під атомами розуміли неподільні частинки речовини. Проте під кінець XIX ст. стали відомі факти, які свідчили, що атом – складна електрична система. Електризація тіл тертям, проходження струму через рідини i гази показали, що до складу атомів входять заряджені частинки. Досліджуючи катодне проміння, Дж..Дж. Томсон (1856—1940) у 1897 р. відкрив електрон i виміряв його питомий заряд. Дослідження відкритого в 1896 р. А. Беккерелем (1852 – 1908) радіоактивного випромінювання свідчило, що з атомів радіоактивних речовин вилітають позитивно заряджені -частинки, негативно заряджені – частинки i Проміння.

Перша модель атома. У 1902 р. У. Кельвін (У. Томсон) (1824—1907) запропонував модель атома: позитивно заряджена куля, в середині якої знаходяться нерухомі електрони. Позитивний і негативний заряди атома однакові. Проте така система не стійка. Тому Дж..Дж. Томсон вважав, що електрони коливаються i при цьому випромінюють св1тло. За допомогою цієї моделі неможливо було пояснити спектральні закономірності випромінювання атомів.

Досліди Е. Резерфорда. Вирішальне значення для теорії будови атома мали досліди англійського фізика Е. Резерфорда (1871 —1937), який вивчав розсіяння пучка – частинок під час проходження їх через тонку металеву фольгу (1913 р.).

Результати досліду: 1) більшість – частинок проходить через фольгу і майже не зазнає розсіювання; 2) окремі частинки зазнають розсіювання на кут до 180°.

Висновки: 1) електрони не викликають розсіювання – частинок, бо маса електрона в 8000 раз менша за масу – частинки; 2) в атомі повинно існувати ядро, в якому зосереджена майже вся маса атома i розміри якого дуже малі ( м); 3) заряд ядра позитивний і дорівнює , де Z — порядковий номер елемента, що дорівнює кількості електронів у атомі, е – елементарний заряд. На основі цих висновків було запропоновано ядерну модель атома: в центрі атома позитивно заряджене ядро, розмір якого становить м, а навколо нього в сфері діаметром м по замкнених орбітах рухаються електрони (їхня кількість Z). Модель атома подібна до сонячної системи, тому її часто називають планетарною.

За законами класичної електродинаміки, електрони рухаються по замкнених орбітах, тобто мають доцентрове прискорення і випромінюють електромагнітні хвил1. Енергія електрона при цьому зменшується і врешті він має впасти на ядро. Однак атоми стійкі і випромінюють не суцільний спектр, а лінійчастий..

2. Постулати Н. Бора (1885—1962). Класична електродинаміка в застосуванні до ядерної моделі атома не пояснила природи лінійчатих спектрів. H. Бор створив іншу ядерну модель атома, скориставшись ідеями Планка і Ейнштейна про те, що світло випромінюється квантами, і сформулював такі постулати.

1. Постулат стаціонарних станів: атомна система може довгий час, без зовнішньої дії, перебувати тільки в стаціонарних станах, не випромінюючи при цьому електромагнітні хвилі (не випромінюють енергію).

Не зважаючи на те, що електрони в атомі рухаються з прискоренням, електромагнітних хвиль атом не випромінює. Кожному стаціонарному стану відповідає тілыки певна енергія й певні орбіти, по яких рухаються електрони.

2. Правило квантування орбіти: в стаціонарному стані атома електрони, рухаючись по колових орбітах, повинні мати дискретні, квантові значення моменту імпульсу, що відповідає умові:

, ( 1 )

Де – маса електрона, І – швидкість електрона на -й орбіті та її радіус; – стала Планка.

3. Правило частот: атом може переходити з одного стаціонарного стану в інший. При переході атома із стаціонарного стану з більшою енергією в стан з меншою енергією випромінюється один фотон. Для переходу електрона із стаціонарного стану з меншою енергією в стан з більшою енергією атом має поглинути квант енергії. Енергію поглинутого кванта й енергію фотона, що випромінюється, можна знайти з формули:

Де і – енергія атома під час руху електронів на -й і -й орбітах; – енергія кванта, – частота випромінюваної електромагнітної хвилі.

Модель атома водню за Бором. Це ядерна модель, у якій електрони перебувають тільки на певних орбітах, що відповідають стаціонарному стану атома. Для енергії електрона на n-й орбіті в атомі водню матимемо формулу:

. ( 2 )

Швидкість електрона на -й орбіті і її радіус знаходимо за правилом квантування орбіт (1) і за умови, що кулонівська сила надає електрону доцентрового прискорення: