Солнце — одна из бесчисленных звезд вселенной.

Изучая Солнце, мы познаем процессы, происходящие в других звездах

Билет № 30

1. Электрический ток в электролитах.
2. Деление тяжёлых ядер. Цепная реакция.
3. Задача на нахождение молекул в веществе.

 

Ответы:

1. Характер электрического тока в растворах солей, кислот, щелочей, называемых электролитами, иной.

Если опустить в сосуд с дистиллированной водой два электрода, соединенных с лампочкой и источником тока, и замкнуть цепь, то лампочка гореть не будет. Это свидетельствует о том, что в дистиллированной воде нет заряженных частиц.

Если теперь в воду налить небольшое количество раствора медного купороса, то лампа загорится. Молекулы медного купороса, взаимодействуя с водой, распадаются на положительные и отрицательные ионы. В отсутствие электрического поля ионы в сосуде движутся беспорядочно. При наличии электрического поля ионы станут двигаться в определенном направлении: положительные — к отрицательному полюсу источника тока, отрицательные — к положительному полюсу источника. Электрод, соединенный с положительным полюсом источника тока, называют анодом, а электрод, соединенный с отрицательным полюсом тока, — катодом,

В растворах электролитов электрический ток представляет собой направленное движение положительных и отрицательных ионов.

Отрицательные ионы, пришедшие к аноду, отдают свои лишние электроны аноду.

Таким образом, на электродах при прохождении через раствор электролита электрического тока происходит выделение веществ. Этот процесс называется электролизом.

В рассмотренном выше примере положительные ионы меди нейтрализуются на катоде и осаждаются на нем. Таким образом, электролиз используется для получения чистых металлов.

 

Деление тяжелых ядер

Открытие в 1932 г. нейтрона и в 1934 г искусственной радиоактивности

стало поворотным пунктом в исследовании ядерных реакций. Начиная с 1834 г. Ферми с сотрудниками подвергли действию нейтронов почти все элементы периодической системы. 'Обычно при нейтронной бомбардировке ядро

§Х, захватывая нейтрон, переходит в возбужденное состояние Х, которое, испуская электрон, превышается в ядро устойчивого изотопа Х В

1938—1939 гг. немецкими физиками О. Ганом и Ф. Штрассманом было обнаружено, что при бомбардировке урана происходит деление его ядер на два (редко три) осколка с выделением большого количества энергии. В результате деления ядер урана получились новые элементы, относящиеся к средней части периодической системы,— барий, лантан и др. Стало очевидно, что первоначальная реакция с ядрами урана осложняется большим количеством каких-то последующих процессов.

Экспериментальные результаты были объяснены Л. Мейтнер и О. Фришем, которые высказали предположение, что ядро урана, поглотившее нейтрон, делится на два ядра (осколка) примерно с одинаковыми зарядовыми и массовыми числами. В нормальном состоянии тяжелое ядро имеет более или менее сферическую форму. Ядро, захватив тепловой нейтрон*, оказывается в возбужденном состоянии с энергией возбуждения, равной энергии связи захваченного нейтрона (5,8—7,5 МэВ). Движение нуклонов в ядре становится более интенсивным, форма ядра быстро и хаотически меняется. Оно то вытягивается, то сжимается, т.е. испытывает деформацию подобно капле жидкости, например ртути. В результате деформации образуется перетяжка, аналогичная перетяжке между двумя частями раздваивающейся капли жидкости.

Если кулоновские силы отталкивания между протонами меньше ядерных сил притяжения, то ядро, не испытав деления, излучит квант или нейтрон и перейдет в основное состояние. Если кулоновские силы отталкивания между протонами будут преобладать над ядерными силами притяжения раздваивающейся капли, то ядро разделится на две части. При этом из ядра вылетают 2—3 вторичных нейтрона. Так как осколки положительно заряжены, то, отталкиваясь под действием кулоновских сил, они разлетаются с большой скоростью.

* Энергия нейтронов, испускаемых при ядерных реакциях, лежит в пределах от долен электрон-вольт до 200 МэВ. Нейтроны с энергиями 0,005—0,5 эВ называют тепловыми, нейтроны с Е>1 МэВ — быстрыми.

Экспериментальные данные указывают, что большая часть вторичных

нейтронов выделяется из возбужденных осколков при их разлете.

Ядра-осколки, возникшие при делении, радиоактивны. Их радиоактивность обусловлена тем, что они имеют избыток нейтронов над протонами по сравнению с ядрами устойчивых изотопов. Такие ядра-осколки путем ряда

- распадов уменьшают свой избыток нейтронов, превращаясь в стабильные ядра.

Возможность деления тяжелых ядер можно объяснить на основании зависимости удельной энергии связи от массового числа А, приведенной на рис. 22.7. Из этой зависимости следует, что удельная энергия связи у тяжелых ядер на 1 МэВ меньше, чем у ядер элементов, находящихся в средней части таблицы Менделеева. Процесс деления тяжелых ядер является энергетически выгодным, так как в акте деления участвуют порядка 200 нуклонов, т. е. деление одного ядра должно сопровождаться выделением энергии ~200 МэВ, причем большая часть этой энергии (~165 МэВ) приходится на кинетическую энергию осколков деления.

Продукты деления очень разнообразны, их насчитывается более 200 видов. Наиболее вероятные значения масс осколков приходятся на 95 и 139. Деление на осколки равной массы менее вероятно и происходит крайне редко. Наиболее типичным примером реакции деления является

U + n U Ba + K r + n + Q (энергия).

Дальнейшие исследования показали, что под действием нейтронов могут делиться ядра и других тяжелых элементов: U, Pu, Тh и др. Одни ядра тяжелых элементов делятся под действием быстрых нейтронов (например, U, Th), другие — под действием тепловых (например, U,

Pu).

В 1940 г. советские физики Г. Н. Флеров и К. А. Петржак обнаружили, что ядра некоторых тяжелых элементов могут претерпевать спонтанное (самопроизвольное) деление. Вероятность этого процесса очень мала, а период полураспада при этом составляет 8 • 10 лет для U и 10 лет для

Th.

Цепная ядерная реакция

Открытие деления ядер урана и некоторых других тяжелых элементов дало возможность практического осуществления цепной ядерной' реакции. В § 233 было указано, что при делении ядра урана кроме ядер-осколков вылетают 2—3 нейтрона. При благоприятных условиях вылетевшие нейтроны могут попасть в другие ядра урана, вызывая их деление. При делении 2—3 ядер урана освобождается уже 4—9 нейтронов, которые могут вызывать деление новых ядер урана с образованием от 8 до 27 нейтронов и т. д. (рис. 22.10); возникает самоподдерживающийся процесс деления, который и называют цепной ядерной реакцией.

Цепная реакция сопровождается значительным выделением энергии, т. е. является экзотермической. В предыдущем параграфе было показано, что при делении одного ядра урана выделяется энергия 200 МэВ. Определим, какая энергия освобождается при делении всех ядер, содержащихся в 1 кг

(2,5 •10 ядер) урана-235:

Е ~ 2 • 10 МэВ • 2,5 • 10 =5 • 10 МэВ = 8 • 10 Дж

Это эквивалентно той энергии, которая получается от сгорания примерно 1800 т бензина или 2500 т каменного угля. Огромное значение освобождаемой энергии побудило ученых и инженеров искать пути использования цепной ядерной реакции в практических (как мирных, так и военных) целях. Практическое осуществление цепных ядерных реакций не является такой простой зада чей, как это кажется на первый взгляд. Дело в том, что природный уран в основном состоит из двух изотопов: 99,3% U и 0,7% U. Теоретические и экспериментальные данные показывают, что нейтроны, освобождающиеся при делении ядер урана, вызывают деление лишь ядер изотопа урана-235, ядрами урана-238 они лишь поглощаются, не вызывая их деления, т. е. ядра урана-238 не принимают участия в развитии цепной реакции. Это является причиной отсутствия цепных реакций в природном уране. Следовательно, для образования цепной ядерной реакции необходимо решить задачу разделения природного урана на два его изотопа.

В настоящее время эта сложная и трудоемкая задача решена.

Как же практически может быть осуществлена цепная реакция? Если все образовавшиеся в процессе деления вторичные нейтроны участвуют в последующих актах деления, то число нейтронов возрастает в геометрической прогрессии; следовательно, важнейшей характеристикой развития цепной ядерной реакции является коэффициент размножения нейтронов

(22.15)

где Ni — число нейтронов, вызывающих деление на одном из этапов реакции; Ni-1 — число нейтронов, вызывающих деление ядер на предшествующем этапе. Коэффициент размножения определяет также число делений ядер, вызванное одним делением предыдущего звена реакции. Если k< 1, то реакция быстро затухает. Если k=1, то цепной процесс идет с постоянной интенсивностью, называемой критической. Систему с k>1 называют надкритической; в этом случае цепной процесс развивается лавинно к приводит к ядерному взрыву.