Ядерні перетворення. Реакції поділу.Термоядерні реакції.

Мета.

Навчальна.  Ввести поняття ядерного перетворення, реакції поділу та термоядерної реакції.

Розвиваюча. Розвивати наукову компетентність.

Виховна. Виховувати свідоме ставлення до безпечного використання енергії ядерних ланцюгових та термоядерних реакцій.

Тип уроку. Урок засвоєння нових знань.

Дидактичні матеріали:

• Підручник. Фізика: підруч. для 9 класу  Бар’яхтар В. Г., Довгий С. О., Божинова Ф. Я.
• Таблиця. Періодична система хімічних елементів Д. І.  Менделєєва

План

1. Організаційний момент. Актуалізація опорних знань..
2. Ядерні перетворення. Реакції поділу. Термоядерні реакції.
3. Вчимося розв’язувати задачі.
4. Запитання до уроку.
5. Домашнє завдання.
6. Перевір себе.
7. Для допитливих.

Хід уроку

1. Організаційний момент. Актуалізація опорних знань.

Перевірка домашнього завдання.

2. Ядерні перетворення. Реакції поділу. Термоядерні реакції.

Ядерні перетворення.

Ядерна реакція - це процес взаємодії атомного ядра з іншим ядром чи елементарною частинкою, що супроводжується зміною складу і структури ядра та виділенням вторинних частинок чи -випромінювання.

Відео.  Ядерні перетворення (Час показу 1:08 хв)

Ядерні реакції записують подібно до хімічних реакцій: зліва записують частинки і ядра, що вступають у взаємодію, а справа - продукти реакції, ядра і електромагнітне випромінювання.

Якщо реакція відбувається під дією позитивно зарядженої частинки, треба, щоб вона мала кінетичну енергію, достатню для подолання дії сил електричного відштовхування. Таку енергію надають протонам, -частинкам та іншим важчим ядрам за допомогою прискорювачів елементарних частинок та йонів.

Першу штучно викликану ядерну реакцію спостерігав у 1919 році Ернест Резерфорд, опромінюючи альфа-частинками азот. Реакція відбувалася за схемою: 

.

Для здійнення ядерних реакцій прискорені частинки ефективніші, ніж -частинки, що їх випромінюють природні радіоактивні елементи. По-перше, їм можна надати значно більшої енергії; по-друге, можна використати протони, які в процесі радіоактивного розпаду не з’являються (це доцільно, тому що їхній заряд удвічі менший від заряду альфа-частинок, внаслідок чого сила, що діє на протони з боку ядер, теж удвічі менша). По-третє, можна прискорювати ядра важчі, ніж ядра гелію.

Перше перетворення атомних ядер за допомогою протонів великої енергії, добутих на прискорювачі, здійснено і 1932 р., коли вдалося розчепити Літій на дві альфа-частинки:

.

Проте найбільш цікавими для практичного використання стали реакції, що протікали при взаємодії ядер з нетронами. Оскільки нейтрони не мають заряду, тому вони без перешкод проникають в атомні ядра і спричиняють їх перетворення. Великий італійський фізик Енріко Фермі, який першим почав вивчати реакції, спричинювані нейтронами, виявив, що ядерні перетворення зумовлюються навіть повільними нейтронами. Причому повільні нейтрони здебільшого навіть ефективніші, ніж швидкі. Тому швидкі нейтрони доцільно спочатку сповільнювати. Сповільнюються нейтрони до теплових швидкостей за допомогою речовин-сповільнювачів, одним з яких може бути і звичайна вода. Цей ефект пояснюється тим, що у воді є багато ядер водню - протонів, маса яких майже дорівнює масі нейтронів. А під час зіткнення куль однакової маси найбільш інтенсивно передається кінетична енергія. Під час центрального зіткнення нейтрона з протоном, що перебуває в стані спокою, він повністю передає протону свою кінетичну енергію, тобто сповільнюється до швидкостей теплового руху.

Подібно до хімічних реакцій деякі ядерні реакції перебігають з виділенням енергії, а деякі  - з поглинанням (відповідно екзотермічні і ендотермічні реакції). Одиницею енергії є 1 Дж, але це завелика одиниця для запису значень енергії, характерних для елементарних ядерних процесів. Для цього застосовують

.

Поділ атомних ядер - це особливий вид ядерних реакцій, коли ядро важкого елемента ділиться на дві частини, одночасно випромінюючи два-три нейтрони, -випромінювання і значну кількість енергії.

Поділ ядер Урану відкрили в 1938 р. німецькі вчені О. Ган і Ф. Штрассман. Але правильне тлумачення цього факту, саме як поділу ядра Урану, що захоплює нейтрон, у 1939 р. дали фізики - англієць О. Фріш і австрійка Л. Мейтнер.

Ланцюгові ядерні реакції. Ядерний реактор.

Ланцюгові ядерні реакції - це ядерні реакції, під час яких частинки, що їх спричиняють, утворюються як продукти цих реакцій.

Ланцюгові ядерні реакції починаються з процесу потрапляння окремого вільного нейтрона в ядро атома урану-235. Ядро розпадається на два менших і вивільняє декілька нейтронів, які рухаються з великою швидкістю. Далі вони повинні бути уповільнені для того, щоб викликати розщеплення інших ядер.

Мал. Будова та принцип роботи ядерного реактора.

Термоядерні реакції. 

Термоядерні реакції - це реакції синтезу (злиття) легких ядер при дуже високій температурі.

Термоядерні реакції відіграють вирішальну роль в еволюції Всесвіту. Енергія випромінювання Сонця та інших зір - термоядерного походження.

3. Вчимося розв’язувати задачі.

Таблиця. Періодична система хімічних елементів Д. І.  Менделєєва

Задача 53. 1. Внаслідок ядерної реакції між ядрами гелію  і тритію  утворилося ядро гелію  та ще одна частинка. Яка саме частинка утворилася?  

Задача 53.2. Протонами опромінюють алюмінієву мішень. При цьо­му вилітають -частинки. У ядра атомів якого елемен­та перетворюються ядра атомів Алюмінію? Напишіть рівняння реакції.

4. Запитання до уроку.

Запитання 53.1. Що таке ядерна реакція?

Запитання 53.2. Які реакції називають ланцюговими?

Запитання 53.3. У чому полягає суть термоядерних реакцій?

Запитання 53.4. На яких ізотопах здійснена ланцюгова ядерна реакція?

5. Домашнє завдання.

Підручник: §26.

Задача 53.3. Допишіть рівняння ядерної реакції: .

Задача 53.4. Якою частинкою треба “обстріляти” ядро атома Літію , щоб отримати ядро атома Берилію  та нейтрон? Напишіть рівняння реакції.

Усне опитування по запитаннях до уроку.

6. Перевір себе.

Тестові завдання:

Запитання 53.1.Т.  У результаті якого процесу виділяється енергія в надрах Сонця?

А. Ядерної реакції.

Б. Гравітаційного стиснення.

В. Термоядерної реакції.

Г. Горіння водню.

Д.Падіння метеоритів.

Запитання 53.2.Т. Термоядерні реакції …

А. є реакціями поділу важких ядер

Б. є реакціями синтезу між легкими ядрами

В. завжди йдуть з поглинанням енергії

Г. відбуваються тільки в штучно створених установках

7. Для допитливих.

Розширюємо кругозір. Природні ядерні реактори. У відкритому кар’єрі для дослідження покладів урану в Окло, у Габоні, знайдено більше дюжини зон, де колись відбувалися ядерні реакції.

Скрізь: і в земній корі, і на Місяці, і навіть у метеоритах атоми урану-235 становлять 0,720 % загальної кількості урану. Але в зразках з родовища Окло в Габоні вміст урану-235 становив всього 0,717 %. Цієї крихітної невідповідності було достатньо, щоб насторожити французьких учених.

Фахівці французької Комісії з атомної енергії були спантеличені. Відповіддю стала стаття 19-літньої давнини, у якій Джордж Ветрилл з Каліфорнійського університету в Лос-Анджелесі й Марко Інгрем із Чиказького університету висловили припущення про існування в давньому минулому природних ядерних реакторів. Незабаром Пол Курода, хімік з Університету Арканзасу, визначив “необхідні й достатні” умови для того, щоб у тілі уранового родовища спонтанно виник процес самопідтримуючого поділу.

Згідно з його розрахунками, розмір родовища повинен перевищувати середню довжину пробігу нейтронів, що викликають поділ (близько ⅔ метра). Тоді нейтрони, випущені одним ядром, що розчепилося, будуть поглинені іншим ядром до того, як вони покинуть уранову жилу.

Бачите на знімку велику купу світлих скель? Ці скелі фактично являють собою функціонуючий ядерний реактор, і цьому реактору приблизно два мільярди років. Що являє собою ядерний реактор? Це область, де висока концентрація ядерного матеріалу, урану 235. Коли концентрація урану 235 стає рівною або перевищує 3 відсотки, при достатній кількості урану, стає можливим виникнення ланцюгової ядерної реакції розщеплення.

У сучасному світі для отримання ядерного палива уранові руди піддають процедурі збагачення, видаляючи з них порожні породи і домагаючись підвищення концентрації урану 235. Хіба таке неможливо і в природі? Виявляється, в районі одного з африканських уранових рудників більше двох мільярдів років тому сформувалася область, у якій концентрація урану 235 виявилася достатньою для виникнення ланцюгової ядерної реакції. Завдяки втручанню ґрунтових вод, які спрацювали як природний сповільнювач нейтронів, ядерна реакція протікала вкрай повільно і запасів урану вистачило на дуже тривалий термін.

Вік однієї з шістнадцяти таких областей, ядерних реакторів природного походження, які були виявлені у надрах уранового рудника, на думку вчених, становить близько двох мільярдів років. А вік "наймолодшого ядерного реактора" становить приблизно кілька сотень тисяч років. Визначення віку цих областей вчені провели, ґрунтуючись на аналізі матеріалу, в якому була виявлена ​​висока концентрація окису урану і ксенону, які є побічними елементами ядерної реакції.

Звичайно, 100 кіловат – це невелика кількість енергії, цього ледь вистачить на забезпечення енергією мешканців одного під’їзду п’ятиповерхового будинку. Але, погодьтеся, для купи скель це зовсім непогано.

Природні реактори були знайдені не тільки в серці Африки - у Габоні, в Окло й сусідніх уранових шахтах в Окелобондо, а також на ділянці Бангомбе.

Коли 1,8 млрд. років тому сформувалися уранові поклади в Окло, природний вміст урану-235 становив близько 3%, подібно до палива для ядерних реакторів. Коли приблизно 4,6 млрд. років тому сформувалася Земля, співвідношення перевищувало 20%, тобто рівень, за якого уран вважається “збройовим”. Сьогодні навіть велике родовище не може стати ядерним реактором, тому що містить менше 1% урану-235.

Американський дослідник, професор Джон Бранденбург з компанії Orbital Technologies Corp озвучив теорію про те, що кілька сотень мільйонів років тому на Марсі сталася масштабна ядерна катастрофа - вибух природного ядерного реактора, що засипав половину планети радіоактивним пилом і уламками.

Однак інші вчені висловлюють сумніви в достовірності цієї гіпотези.

За словами Бранденбурга, на Марсі присутні обидва компоненти природної АЕС - підземна вода і запаси урану. "Існують свідчення, що великий ядерний реактор сформувався і діяв у західній півкулі Марса. Мабуть, реактор виробляв уран-233 з торію, і, судячи з усього, зруйнувався в результаті вибуху, викинувши значну кількість радіоактивних речовин на поверхню Марса", - йдеться в доповіді Бранденбурга на планетологічній конференції в США.

За оцінками вченого, на Марсі близько мільярда років тому на глибині близько кілометра існувало рудне тіло, яке складалося з концентрованого урану, торію і калію. Через те, що на Марсі, на відміну від Землі, відсутній тектонічний рух плит, рудне тіло залишалося цілісним, і в ньому підтримувалася ядерна реакція з виділенням тепла. Цей процес почався приблизно мільярд років тому, коли частка урану-235 в родовищі становила 3%, і міг бути запущений проникненням у рудне тіло підземної води.

Через кілька сотень мільйонів років реактор почав виробляти ядерне паливо у формі урану-233 і плутонію-239 швидше, ніж спалювати його. Сильний потік нейтронів також призвів до утворення великої кількості радіоактивних ізотопів калію.

У якийсь момент реактор перейшов у критичний режим - вода википіла, що призвело до зростання потоку нейтронів і запуску мимовільної ланцюгової реакції за участю урану-233 і плутонію-239.

Через великі розміри самого рудного тіла та його положення на глибині близько 1 кілометра, реакція тривала без вибухового руйнування до досить високих ступенів вигорання.

"Вивільнення енергії було катастрофічним і призвело до викиду хмари пилу й попелу, як від потужного удару астероїда. Це призвело до випадання радіоактивного пилу та уламків на значній частині поверхні планети, і цей шар був збагачений ураном і торієм. Через вибух сформувалася западина шириною приблизно 400 кілометрів", - говориться в доповіді.

Згідно з розрахунками Бранденбурга, енергія вибуху була еквівалентна енергії від падіння на поверхню 30-кілометрового астероїда. Однак на відміну від астероїдного удару, вогнище вибуху було ближчим до поверхні, і западина, утворена ним, була значно меншою за глибиною, ніж ударні кратери.

Склад слідів торію та радіоактивних ізотопів калію вказує, що ядерна катастрофа сталася кілька сотень мільйонів років тому, всередині або наприкінці Амазонійської епохи. На цю катастрофу вказує також присутність газів, що виникають у результаті ядерних реакцій - аргону-40 і ксенону-129 - в атмосфері планети.

"Існування такого великого природного ядерного реактора може пояснити деякі загадкові особливості в марсіанських даних, такі, як підвищений вміст калію і торію на поверхні і великий набір радіогенних ізотопів в атмосфері", - зазначає вчений.

Інші дослідники висловлюють сумніви в реальності описаної Бранденбургом катастрофи.

Так, доктор Девід Біті з Лабораторії реактивного руху зазначає, що нинішні геологічні умови як на Марсі, так і на Землі існують вже тисячоліття і відчували мало різких змін.

На думку вченого з Ліверморської національної лабораторії Ларса Борга, особливості, на які вказує Бранденбург, можуть бути пов'язані зі звичайними геологічними процесами, а не з ядерною реакцією.

"Ми вивчаємо марсіанські метеорити вже 15 років і в деталях знаємо їхній ізотопний склад. Однак немає нікого, хто думав би про можливості природного ядерного вибуху на Марсі", - говорить Борг.