«Ядерные превращения. Деления Ядер»
| Вид материала | Документы |
- «Ядерные превращения. Деление ядер», 365.76kb.
- Исследования деления ядер урана и плутония при низких энергиях возбуждения. 01. 04., 549.02kb.
- Активный счетчик нейтронных совпадений, 57.77kb.
- И наименование занятия, 108.9kb.
- «Ядерная энергетика», 139.14kb.
- Программа курса (специальность Экология) физика, 79.76kb.
- Экологические, радиологические и медицинские последствия аварии на Чернобыльской аэс,, 592.27kb.
- Программа Государственного экзамена по подготовке магистра по направлению «Физика ядра, 32.88kb.
- Лекция 1 Углеводы, липиды, минеральные вещества, 68.17kb.
- А. В. Ремнев Омский государственный университет, 489.1kb.
 | Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное агентство по образованию Федеральное государственное бюджетное учреждение высшего профессионального образования Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ» Институт международных отношений | ||||||||||
| Факультет: | «Управления и экономики высоких технологий» | ||||||||||
| Кафедра: | № | 55 | | Институт международных отношений | | ||||||
| Специальность: | 350200 | «Международные отношения» | | | |||||||
| | | | | | |||||||
| реферат на тему: | |||||||||||
| «Ядерные превращения. Деления Ядер». | |||||||||||
| Подготовила: Косякова Галина У04-04 | |||||||||||
Оглавление
Оглавление
3
Введение 5
Глава 1. Ядерные реакции 6
Глава 2. История открытия 12
Глава 3. Механизм деления ядер 15
Глава 4. Стадии процесса деления ядер 22
Глава 5. Виды деления ядер 25
Глава 6. Энергия деления ядер 29
Глава 7. Применение деления ядер. 31
Заключение 42
Список литературы: 44
Введение
Атомное ядро. Ядерная энергетика. Атомный век. Эти и десятки других, так или иначе связанных со словом «ядро» терминов заполняют страницы газет, книг, научных статей, волнуют людей, пробуждая и ужас и надежды. Можно смело сказать, что никогда никакие научные открытия не играли такой огромной роли для всего человечества, как открытия в области ядерной физики. Даже совсем далекие от физики люди не могут относиться к ним безучастно. Ядерная физика ставит проблемы, решение которых прямо упирается в самый основной вопрос — вопрос о строении вещества вообще, т. е. в конечном итоге об элементарных частицах. Их иногда называют кирпичиками мироздания.
В наше время, с каждым годом возрастают потребности человечества в энергии. В связи с этим совершенно очевидно, какое значение сегодня имеет использование ядерной энергии. Устройство, предназначенное для организации и поддержания цепной реакции деления ядер с целью получения энергии называется ядерным энергетическим реактором. В основе работы ядерного реактора лежат процессы взаимодействия нейтронов с ядерным веществом, наиболее важными из которых являются - реакция деления ядер, реакция радиационного захвата (поглощения) и реакция рассеяния. Целью данной работы является изучение явления деления ядер.
Реакция распада атомного ядра на два фрагмента сравнимой массы называется делением. Деление бывает спонтанным и вынужденным (т.е. вызванным взаимодействием с налетающей частицей). Реакция деления тяжелых ядер под действием нейтронов лежит в основе методов получения ядерной энергии.
Глава 1. Ядерные реакции
Прежде чем перейти к детальному рассмотрению явления деления ядер, нужно разобраться в более широком понятии, в которое оно входит, таком как ядерная реакция в целом.
Ядерная реакция — процесс образования новых ядер или частиц при столкновениях ядер или частиц.
Открытие ядерных реакций имело принципиальное значение: впервые была доказана возможность искусственного превращения элементов. Правда, на первых порах удавалось превратить лишь ничтожное количество вещества. Это происходит потому, что число быстрых частиц, даваемых ускорителями или радиоактивными препаратами, сравнительно мало, и, кроме того, только малая доля этих частиц производит ядерные реакции. Например, одно ядерное превращение приходится на сто тысяч — миллион бомбардирующих a-частиц. Причину такого малого числа ядерных реакций нетрудно понять. Чтобы проникнуть внутрь атомного ядра, налетающая заряженная частица должна преодолеть огромные силы электростатического отталкивания, ибо и частица, и бомбардируемое ядро обладают положительным зарядом. Поэтому ядерные превращения могут производить только достаточно быстрые частицы, способные преодолеть электростатическое отталкивание. Но, двигаясь в веществе, быстрые частицы расходуют свою энергию на ионизацию и возбуждение атомов. Очень скоро они полностью затормаживаются, захватывают электроны и превращаются в нейтральные атомы. Ввиду малых размеров ядер лишь немногие частицы сталкиваются с ядром до того, как они растратят свою энергию. Только такие редкие случаи и приводят к ядерным расщеплениям.
В цепных ядерных реакциях превращение атомов осуществляется уже в больших масштабах, не уступающих зачастую масштабам, в которых происходит превращение молекул в химических реакциях.
Атомные ядра радиоактивных элементов неустойчивы, т. е. с течением времени они распадаются, испуская a- или b-частицы и превращаясь в ядра других элементов. Эти факты доказывают, что атомные ядра, несмотря на свои ничтожные размеры, являются сложными частицами, построенными из других, более простых частиц. Как было уже отмечено, радиоактивность не только свидетельствует о сложном строении атомных ядер, но также дает средства для изучения этого строения.
Одним из таких средств являются быстрые a-частицы, способные проникать внутрь легких ядер и расщеплять их на части. Расщепление атомного ядра под действием a-частиц впервые наблюдал Резерфорд (в 1919 г.). Он заметил, что при облучении a-частицами азота, бора и других элементов возникают новые частицы, также создающие сцинтилляции, но отличающиеся от a-частиц большей проникающей способностью. С помощью магнитного отклонения и других методов удалось установить заряд и массу, а тем самым природу этих частиц. Они оказались быстродвижущимися ядрами атомов водорода. Надо помнить, что ядро водородного атома, или, как его называют, протон, обладает массой, очень близкой к 1 а. е. м., и зарядом +е.
Процесс испускания протонов был изучен с помощью камеры Вильсона. Внутрь камеры Вильсона, заполненной азотом, помещался a-радиоактивный препарат. Периодически производилось расширение камеры и фотографирование получающейся картины. На снимках наблюдался веер следов a-частиц, исходящих из препарата (рис. 1, а). В подавляющем большинстве следы прямолинейны. В некоторых случаях, однако, след a-частицы на некотором расстоянии от конца пробега образует «вилку» (схема на рис. 1, б) — разветвляется на два неравных следа, из которых длинный (р) тоньше, а короткий (О) жирнее следа a-частицы. Образование такой «вилки» нельзя объяснить иначе, как результатом соударения a-частицы с ядром атома азота.
Рис. 1. Расщепление ядра азота a-частицей в камере Вильсона: a) фотография следов в камере; б) схема следов «вилки»; a—след a-частицы, столкнувшейся в точке А с ядром азота, р и О — следы продуктов расщепления — протона и ядра кислорода.
Опираясь на наблюдения Резерфорда, мы должны приписать один из следов «вилки» протону. Ввиду меньшего заряда протон действует на атомные электроны с меньшей силой, чем a-частица. Поэтому протон производит меньшую ионизацию на единице пути и образует в камере Вильсона более тонкий след. Более жирный след принадлежит частице, ионизующей сильнее a-частицы и обладающей, следовательно, большим зарядом.
Природу этой частицы можно установить, используя законы сохранения заряда и массы. До соударения мы имели две частицы: 1) a-частицу (т. е. ядро атома гелия) с зарядом +2 единицы и массой 4 единицы и 2) ядро атома азота с зарядом +7 единиц и массой 14 единиц. Суммарный заряд равен +9 единиц, суммарная масса 18 единиц. После соударения также имеются две частицы, одна из которых является протоном (т. е. ядром атома водорода) с зарядом +1 и массой 1. На долю второй частицы остается заряд +8 и масса 17.
Восьмым элементом периодической системы является кислород. Таким образом, рассматриваемая «вилка» указывает на явление превращения ядер азота и гелия в ядра кислорода и водорода.
Вслед за открытием Резерфорда были найдены и другие подобные процессы, в которых происходит превращение ядер одних элементов в ядра других элементов. Такие процессы получили название ядерных реакций.
Символически ядерная реакция азот + гелий = кислород + водород записывается следующим образом:
При такой записи реакции верхняя строка цифр представляет запись условия сохранения массы (14+4=17+1), а нижняя — условия сохранения заряда (7+2=8+1).
На протяжении курса физики мы познакомились с различными формами энергии, способными превращаться друг в друга. Сюда относятся кинетическая энергия движущихся тел, потенциальная энергия тел в поле сил тяготения, энергия электромагнитных полей, внутренняя энергия тел и т. д. Изучение ядерных превращений свидетельствует о существовании еще одной формы энергии — так называемой ядерной энергии. Ядерная энергия — это энергия, запасенная в атомных ядрах и переходящая в другие виды энергии при ядерных превращениях — при радиоактивном распаде ядер и ядерных реакциях. Ядерная энергия проявляется при любых превращениях ядер.
Рассмотрим в качестве примеров ядерные реакции a-частицы с бериллием и азотом. В результате реакции образуются ядро углерода и нейтрон.
Измерения показывают, что кинетическая энергия продуктов этой реакции больше кинетической энергии исходных ядер. В этой реакции происходит, следовательно, превращение скрытой ядерной энергии в кинетическую.
Ядерная энергия, переходящая в кинетическую или обратно, может быть вычислена, если известны точные значения масс всех участвующих в реакции ядер. Действительно, по закону сохранения энергии приращение кинетической энергии равно убыли внутренней энергии ядер. Убыль же внутренней энергии, согласно закону Эйнштейна, равна разности масс покоя исходных и конечных продуктов реакции, умноженной на c2.
Ядерная энергия подобна химической в том отношении, что оба вида энергии проявляются в процессах превращения частиц. Химическая энергия проявляется в процессах превращения молекул (т. е. в химических реакциях), ядерная энергия — в процессах превращения атомных ядер (т. е. в ядерных реакциях). Между ядерной и химической энергиями существует резкое различие в масштабе. Энергия химических реакций измеряется электронвольтами (так, например, при горении углерода освобождается энергия 4,1 эВ на молекулу СО2). Энергия ядерных превращений измеряется уже не электронвольтами, а мегаэлектронвольтами, т. е. по порядку величины
она в миллион раз больше. Большой масштаб энергии ядерных процессов обусловлен громадной величиной ядерных сил.
Ядерные превращения, в которых запасы скрытой ядерной энергии переходят в другие виды энергии, играют большую роль в природе, а с 40-х годов нашего века и в технике. Простейшие из таких превращений — это явления радиоактивного распада. Энергия радиоактивных излучений превращается, в конечном счете, в тепло. Радиоактивное тепло имеет важное геологическое значение: распад содержащихся в земной коре урана, тория и калия является тем источником энергии, который обеспечивает высокую температуру в недрах Земли.
В отличие от радиоактивности при ядерных реакциях скорость выделения энергии может изменяться в широких пределах, а выделяемая энергия достигать грандиозных величин. Ядерные реакции являются единственным из известных источников, обладающих достаточным запасом энергии, чтобы поддерживать лучеиспускание звезд в течение всего времени их существования, т. е. миллиарды лет. Ядерную реакцию, идущую за счет высокой температуры среды, называют термоядерной. Встает вопрос, как «поджигаются» термоядерные реакции в звездах. Вероятной причиной первоначального нагрева, «поджигающего» реакцию, является сжатие звездного вещества под действием сил тяготения, т. е. превращение потенциальной энергии тяготения во внутреннюю энергию.
Освобождение больших количеств ядерной энергии в земных условиях долгое время казалось, вряд ли достижимой мечтой. Способы получения огромных температур (миллионы градусов), необходимых для «поджигания» термоядерной реакции, не были тогда известны. Использование же частиц, ускоренных ускорителями, не сулило перспектив. Быстрые заряженные частицы при движении в среде расходуют энергию на ионизацию и возбуждение атомов и вызывают ядерные реакции лишь с малой вероятностью. Ввиду этого затрата энергии на предварительное ускорение частиц превосходит выигрыш энергии от ядерной реакции.
Положение коренным образом изменилось, когда изучение свойств нейтронов увенчалось открытием новой ядерной реакции — реакции деления атомных ядер. В результате опытов по облучению нейтронами урана было найдено, что под действием нейтронов ядра урана делятся на два ядра (осколка) примерно половинной массы и заряда; этот процесс сопровождается испусканием нескольких (двух-трех) нейтронов.