Г.С. Ландсберг - Элементарный учебник физики (том 3). Колебания и волны. Оптика. Атомная и ядерная физика (1120574), страница 109
Текст из файла (страница 109)
*) Энергии, излучаемая Солнцем, принята равной 3,8 (Ом Лж!с, масса Солвца равна 2,0 (О»" кг. 5 227. Деление урана. Цепная ядерная Реакция. В результате опытов по облучению нейтронами урана было найдено, что под действием нейтронов ядра уран а делятся на два ядра (осколка) пРимерно половинной массы и заряда; этот иро. цесс сопровогкдается испусканием нескольких (двух-трех) нейтронов(рис.
402). Помимо урана, способны делиться еще некоторые элементы П и х~ хз Ол ф б) б) а) Рис. 402. Деление ядра урвав под действием нейтронов: о) ядро ззхвигывзет нейгрон; б) удар нейтрона о ядро приводит последнее в колебзния,' в] ядро делится на два осколка; при этом аспускается еще несколько неигронов из числа последних элементов периодической системы Менделеева. Зти элементы, так же как и уран, делятся не только под действием нейтронов, но также б е з в и е ш и и х в о з д е й с т в и й (споитаиио) *).
Спонтанное деление было установлено иа опыте советскими физиками К. А. Петр- жаком и Георгием Николаевичем Флеровым (р. 1913)в 1940 г. Оио представляет собой весьма редкий процесс. Так, в ! г урана происходит всего лишь около 20 спонтанных делений в час. Благодаря взаимному электростатическому отталкиванию осколки деления разлетаются в противоположные стороны, приобретая огромную кинетическую энергию (около 160МэВ). Реакция деления происходит, таким образом, со значительным в ы д ел е и и е м э и е рг и и. Быстродвижущиеся осколки интенсивно иоиизуют атомы среды. Зто свойство осколков используют для обнаружения процессов деления при помощи иоиизациоииой камеры или камеры Вильсона.
Фотография следов осколков деления в камере Вильсона приведена иа рис. 403. Крайне существенным является то обстоятельство, что нейтроны, е) С п о в т з н н о е д е л е н и е с л е д у е т отнести к рззряду явлений радиоактивного распада, с которыми мы позвзкомились в предыдущей главе. Кзк и другие виды распада, спонтанное деление представляет собой внутрнядерный процесс, протекающий без внешних воздействий, испущенные при делении уранового ядра (так называемые вторичные нейтроны деления), способны вызывать деление новых ядер урана.
Благодаря этому можно осуществить цепнуто реакцию деления: однажды возникнув, реакция в принципе может продолжаться сама Рас. 403. Фотография следов осколков деления урана в камере Вильсона; осколки (О) разлетаются в противоположные стороны из тонкого слоя урана, нанесенного на пластинке, перегораживающей камеру. На снимке видно также множество более тонких следов, принадлежащих протонам, выбитым нейтронами из молекул водяного пара, содер- жащегося в камере собой, охватывая все большее число ядер. Схема развития такой нарастающей цепной реакции изображена на рис. 404.
Осуществление пешюй реакции деления на практике не просто; опыт показывает, что в массе природного урана цепная реакция не возникает. Причина этого кроется в потере вторичных нейтронов; в природном уране ббльшая часть нейтронов выходит из игры, не вызывая делений.
Как выявили исследования, потеря нейтронов происходит в наиболее распространенном изотопе урана — уране-238 (еД()). Этот изотоп легко поглощает нейтроны по реакции, подобной реакции серебра с нейтронами (см. ~ 222); при этом образуется искусственно-радиоактивный изотоп а,",П. Делится же ззе() с трудом и только под действием быстрых нейтронов. 564 более удачными для цепной реакции свойствами обладает изотоп заяц, который содержится в природном уране в количестве 0,7аа. Он делится под действием нейтронов л ю б о й энергии — быстрых и медленных н тем лучше, чем меныпе энергия нейтронов. Конкурирующий с делением Рис.
404. Развитие цепной реакции деления: условно принято, что при делении ядра испускакося два' нейтрона и потерь нейтронов пет, т. е. каждый нейтрон вызывает новое деление; кружочки — осколки деления, стрелки — нейтроны деления процесс — простое поглощение нейтронов — мало вероятен в ззьБ в отличие от ззЧЗ. Поэтому в чистом уране-235 возможна цепная реакция деления п р н у с л о в и и, однако, ч т о м а с с а у р а н а-235 д о с т а т о ч н о в ел и к а.
В уране малой массы реакция деления обрывается из-за вылета вторичных нейтронов за пределы его вещества. В самом деле, ввиду крошечных размеров атомных ядер нейтрон проходит в веществе значительный путь (измеряемый сантиметрами), прежде чем случайно натолкнется на ядро. Если размеры тела малы, то вероятность столкновения на пути до выхода наружу мала.
Почти все вторичные нейтроны деления вылетают через поверхность тела, не вызывая новых делений, т. е. не продолжая реакции. Из тела больших размеров вылетают наружу главным образом нейтроны, образовавшиеся в поверхностном слое. Нейтроны, образовавшиеся внутри тела, имеют перед ссбон достаточную толщу урана и в большинстве своем вызывают новые деления, продолжая реакцию (рис, 405). Чем больше масса урана, тем меньшую долю объема составляет поверх.
постный слой е), из которого теряется много нейтронов, и тем благоприятнее условия для развития цепной реакции. Редкие" ойоппйл64 пу лей~попка Е азап ма ппойея копгоеагй кеагп опгапкаеаегпол о лдло и урала, база~бал белеете Рис. 405, Развитие цепной реакции деления в аззы, а1 В малой массе юЧЛ большинство нейтронов деления вылетает наружу. б) В большой массе урана многие нейтроны деления вызывашт деления новых ядер; число делений возрастает от поколения к поколению.
Кружочки — оскол- ки деления, стрелки — нейтроны деления увеличивая постепенно количество еа%, мы достигнем кригпическои" жаееы, т. е. наименьшей массы, начиная с которой возможна незатухающая цепная реакция деления в езМЗ. При дальнейшем увеличении массы езйс) реакция начнет бурно развиваться (начало ей положат с п о н. т а н н ы е д е л е и и я). При уменьшении массы азз(3 ниже критической реакция затухает. Итак, можно осуществить цепную реакцию деления, если располагать достаточным количеством чистого '"йП, отделенного от Как мы видели в й 202, разделение изотопов представляет собой хотя сложную и дорогую, но все же выполнимую операцию. И действительно, извлечение зззс) нз природного урана явилось одним из тех способов, при помощи которых цепная реакция деления была осугдествлена па практике.
*) Поверхность шара пропорциональна кввдрату, а объем — кубу его радиуса. Поэтому при увеличении радиуса шара объем его растет быстрее, чем поверхность. 566 Наряду с этим цепная реакция была достигнута и другим способом, ие требующим разделения изотопов урана. Этот способ несколько более сложен в принципе, но зато более прост в осуществлении. Он использует з а м едл е н и е быстрых вторичных нейтронов делен и я до скоростей теплового движения.
Мы видели, что в г(риродном уране н е з а и ед л е н н ы е вторичные нейтроны поглощаются главным образом изотовом зебр), Так как поглощение в зззП не приводит к делению, то реакция обрывается. Как показывают измерения, при замедлении нейтронов до тепловых скоростей поглощающая способность ззЧ) возрастает сильнее поглощающей способности ззЧЗ. Поглощение нейтронов изотопом заЧ), ведущее к делению, получает перевес. Поэтому, если замедлить нейтроны деления, не дав им поглотиться в зз%, цепная реакция станет возможной и с природным уроном. На практике такого результата добиваются, помещая . '.
»':::.»сл»:::»'::» тонкие стержни из п р и р о д-;;.:.»';»':: »:с»':»с н о г о урана в виде редкой ',;,::.:;:,» "«,';. «':»» . решетки в замедлитель (рис. ",, .а„' »»»» 406). В качестве замедлителей » , з „ввлв используют вещества, обла- УРанааьгй дающие малои атомной массой и слабо поглощающие рис. 406. Система из природного нейтроны. Хорошими замел- урана замелл ля, и которо> лптелями являются гРафит может разанааться цепная реактяжелая вода, бериллий. ння деления Пусть в одном из стержней произошло деление ядра урана. Так как стержень сравнительно тонкий, то быстрые вторичные нейтроны вылетят почти все в замедлитель. Стержни расположены в решетке довольно редко.
Вылетевший нейтрои до попадания в новый стержень испытывает много соударений с ядрами замедлителя и замедляется до скорости теплового движения (рнс, 407). Попав затем в урановый стержень, нейтрон поглотится скорее всего в "% и вызовет новое деление, продолжая тем самым реакцию. Цепная реакция деления была впервые осуществлена в США в 1942 г. группой ученых под руководством итальянского физика Энрико Ферми (1901 — 1954) в системе с природным ураном. Независимо этот процесс 56т Уран Замеелаегень Улан 3аместлиетель Й7ан Рнс. 407 Развитие цепной реакции деления в системе из природного урана и замедлнтеля. Быстрый нейтрон, вылетев из тонкого стержня, попадает в ззмедлитель и замедляется.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
