Деление тяжёлых ядер. Цепные ядерные реакции. Критическая масса

«___»__________ 20__г.

Деление тяжёлых ядер. Цепные ядерные реакции. Критическая масса
Класс 11
Цели:
Образовательная: Объяснить деление тяжелых ядер с точки зрения ядерной реакции.
Развивающая: Развить умение учащихся применять данные знания на практике и в жизни.
Воспитательная: В целях развить научного мировоззрения учащихся показать роль физических экспериментов. Раскрыть причинно-следственные связи в изучаемом материале: деление тяжёлых ядер.

Оборудование:

Ход урока:
I.Проверка домашнего задания.
1.Разность энергий связи частиц и ядер до реакции и после реакции называется ....
(энергетическим выходом ядерной реакции)
2.... называется самопроизвольное превращение ядер неустойчивых изотопов однородного химического элемента в ядра изотопов других химических элементов.
(естественной радиоактивностью)
3.По какой формуле происходит искусственная радиоактивность?
( )
4.Какими частицами выгодно осуществлять искусственную радиоактивность?
(α-частицами)
5.В каком году была впервые произведена искусственная радиоактивность?
(1934г.)

II.Новый материал.
Тяжёлые ядра, перегруженные нейтронами, являются неустойчивыми. Это подтверждается меньшей удельной энергией связи тяжёлых ядер по сравнению с удельной энергией средних ядер.

Делением ядра называется ядерная реакция разделения тяжёлого ядра, возбуждённого захватом нейтрона, на две приблизительно равные части, называемые продуктами деления (осколками).

Нуклоны исходного составного ядра распределяются между осколками деления в соответствии с законами сохранения электрических зарядов и массовых чисел. При этом возможно высвобождение некоторого небольшого числа нейтронов.

Деление тяжёлого ядра на два осколка сопровождается выделением огромной энергии. На один нуклон в акте деления, неустойчивого ядра выделяется энергия, равная разности удельных энергий связи в ядрах – продуктах деления и исходного ядра, т.е. .

Пример: Всего в ядре урана , содержащего 238 нуклонов, при делении выделяется энергия порядка . При делении ядер, содержащегося в урана , выделяется энергия , или .

Основная часть энергии деления выделяется в форме кинетической энергии осколков деления.
При расстоянии между осколками, превышающем радиус действия ядерных сил, потенциальная энергия отталкивания заряженных ядер-осколков равна:



где и - заряды этих ядер, , и - радиусы ядер-осколков, равные , , .
Потенциальная энергия осколков переходит в их кинетическую энергию, и они разлетаются с огромными скоростями.

Некоторые ядра могут делиться под действием как быстрых, так и медленных нейтронов. Медленные нейтроны производят деление более эффективно, так как они гораздо легче захватываются исходными ядрами.
Тепловые нейтроны вызывают деление ядер плутония и изотопа урана . Энергии, необходимые для деления ядер изотопа урана , а также ядер изотопов тория и протактиния, существующих в природе, значительно больше и составляют приблизительно .

Тяжёлые делящиеся ядра перезагружены нейтронами: для них . Это означает, что в момент образования осколков деления они также перегружены нейтронами. Но в устойчивых ядрах-осколках ближе к 1.
Следовательно, при делении ядер имеются избыточные нейтроны, число которых равно разности между числом нейтронов в исходном ядре и их числом в ядрах-осколках (нейтроны деления).
Среднее число нейтронов деления, приходящихся на один акт деления, характеризует процесс размножения нейтронов при делении ядер.

Пример: При делении ядер плутония и урана под действием тепловых нейтронов среднее число равно соответственно 3 и 2,5.

Для осуществления реакции деления ядра необходима затрата некоторого количества энергии, которая называется энергией активации деления ядра (порог деления).
Ядро-капля наиболее устойчиво, если сумма поверхностной энергии, стягивающей каплю, и электростатической энергии отталкивания протонов сферического ядра-капли будет наименьшей. При захвате нейтрона ядро-капля (рис а) деформируется и принимает форму эллипсоида (рис б).
В связи с огромной плотностью ядерного вещества объём ядра-капли не изменяется, но поверхность её возрастает и возрастает величина поверхностной энергии ядра. Одновременно происходит уменьшение электростатической энергии, ибо при сферической форме ядра протоны максимально сближены и энергия их отталкивания наибольшая.
Ядро – заряженная капля при захвате нейтрона приходит в колебания: попеременно то вытягивается, то сжимается. При малых деформациях капли (рис в) силы поверхностного натяжения не позволяют капле достигнуть критического значения деформации (рис г), при котором наступает деление (рис д).

При энергиях возбуждения ядра, меньших, чем энергия активации деления, деформация ядра-капли не доходит до критической, ядро не делится и возвращается в основное энергетическое состояние, испустив γ-фотон.

Условием энергетической выгодности деления является неравенство , где - порядковый номер химического элемента, - массовое число, называется параметром деления.

Неравенство выполняется для всех ядер, начиная с серебра . Однако из-за наличия энергии активации тяжёлые ядра начинают делиться при гораздо больших значениях параметров деления.
При критическом значении параметра деления существование ядра вообще невозможно 0 оно претерпевает спонтанное (самопроизвольное) деление.
При несколько меньших значениях параметра деления ядро может разделиться спонтанно за счёт туннельного эффекта, аналогично существующему при α-распаде.

Это явление было обнаружено для ядер урана и ядер трансурановых элементов. Наиболее важным процессом является деление тяжёлых ядер нейтронами, которые вносят необходимую энергию активации.

III.Закрепление нового материала.
1.Стр290 упр№8.8.1.
2.Стр290 упр№8.8.2.

Домашнее задание: §8.8