Деление ядер. Цепная реакция деления
Задачи урока. Ввести понятие о реакции деления ядер как физическом явлении; сформировать представления о механизме деления ядер и цепной реакции деления; научиться описывать ядерные реакции, используя законы сохранения, рассчитывать энергетический выход реакций.
Продолжить знакомство с историей зарождения ядерной физики; рассказать о вкладе физиков в исследование цепных реакций. Рассмотреть причины деления тяжелых ядер.
Изложение нового материала начинается с актуализации знаний об энергии связи тяжелых ядер и возможности высвобождения энергии при их делении.
Примерный план.
1. Возможность высвобождения энергии при делении тяжелых ядер. Пользуемся диаграммой удельной энергии связи (см. рис). У элементов, находящихся в середине таблицы Менделеева, удельная энергия
связи (на один нуклон) примерно на 1 МэВ больше, чем у тяжелых элементов, расположенных в конце этой таблицы. Это значит, что при делении тяжелого ядра на части, являющиеся ядрами элементов, находящихся в середине таблицы, выделяется энергия. С помощью диаграммы оцениваем выделяемую при делении одного ядра энергию: на ядро для элементов в конце таблицы Менделеева приходится около 200 МэВ.
2. Возможность выделения энергии при делении ядер не только урана, но и других элементов, расположенных в конце периодической таблицы Менделеева, в том числе и достаточно распространенных в природе. Такое деление вовсе не обязательно происходит само или легко осуществимо. Для этого необходимо возбудить ядерную реакцию. Наиболее эффективно действуют на ядра нейтроны, но и под их действием ядро вовсе не обязательно делится, оно может, например, стать радиоактивным изотопом. Оказалось, что под действием медленных нейтронов делятся ядра изотопа урана 235U92, составляющего небольшую примесь (0,7%) в уране 238U92,
3. Понятие о вынужденном и спонташюм делении ядер урана. Механизм деления урана па основе капельной модели. При объяснении используется схема деления ядра, данная в учебнике. Формы выделения энергии.
4. Испускание нейтронов в процессе деления ядра урана и значение вторичных нейтронов для самоподдер- жания реакции деления. Критическая масса. Цепная реакция и взрыв. Управление реакцией.
5. Для углубления и закрепления изложенного материала показывается
связи (на один нуклон) примерно на 1 МэВ больше, чем у тяжелых элементов, расположенных в конце этой таблицы. Это значит, что при делении тяжелого ядра на части, являющиеся ядрами элементов, находящихся в середине таблицы, выделяется энергия. С помощью диаграммы оцениваем выделяемую при делении одного ядра энергию: на ядро для элементов в конце таблицы Менделеева приходится около 200 МэВ.
2. Возможность выделения энергии при делении ядер не только урана, но и других элементов, расположенных в конце периодической таблицы Менделеева, в том числе и достаточно распространенных в природе. Такое деление вовсе не обязательно происходит само или легко осуществимо. Для этого необходимо возбудить ядерную реакцию. Наиболее эффективно действуют на ядра нейтроны, но и под их действием ядро вовсе не обязательно делится, оно может, например, стать радиоактивным изотопом. Оказалось, что под действием медленных нейтронов делятся ядра изотопа урана 235U92, составляющего небольшую примесь (0,7%) в уране 238U92,
3. Понятие о вынужденном и спонташюм делении ядер урана. Механизм деления урана па основе капельной модели. При объяснении используется схема деления ядра, данная в учебнике. Формы выделения энергии.
4. Испускание нейтронов в процессе деления ядра урана и значение вторичных нейтронов для самоподдер- жания реакции деления. Критическая масса. Цепная реакция и взрыв. Управление реакцией.
5. Для углубления и закрепления изложенного материала показывается слайд «Получение ядерной энергии» и слайд «Атом и атомное ядро».
Далее рассматривается образование плутония в реакциях
Плутоний 239Pu94 сравнительно стабильный элемент, период его полураспада 2 * 104 лет. Он, как и уран 235U92, под воздействием нейтронов испытывает ядерное деление.
Рассчитаем энергию, выделяемую при делении 1 кг урана или плутония. Энергия колоссально велика: 8,2* 1013 Дж. Она имеет тот же порядок, что и энергия, выделяющаяся при сгорании 2 500 000 кг нефти.
На этом и следующем уроках полезно использовать таблицу, отражающую историю овладения ядерной энергией (табл. 2).
В процессе деления образуются ядра-осколки, перегруженные нейтронами, так как «нормальные» ядра, находящиеся в середине периодической таблицы Менделеева. имеют равное количество протонов и нейтронов, а у тяжелых делящихся ядер нейтронов больше половины «Лишние» нейтроны выделяются, после чего образуются радиоактивные изотопы, испускающие β-частицы и γ-излучение. В результате реакции деления урана могут образоваться ядра различных элементов. Типичными являются следующие реакции деления:
Полученные в результате деления изотопы бария, криптона, лантана и брома β- активны и быстро певращаются в ядра других элементов. Среди продуктов деления ядер оказываются и радиоактивные элементы с меньшим периодом полураспада, например, цезий 137Cs55 имеет период полураспада 30 лет, стронций 90Sr38 - 28 лет. Таким образом, продукты деления урана длительное время остаются источниками радиоактивного излучения.
В заключение можно сделать обобщение типов радиоактивных превращений с помощью табл. 3.
