Физика 9 класс. 1. Физика. Методы познания природы. Физические явления

• Название: 1. Физика. Методы познания природы. Физические явления
• Анкор: Физика 9 класс
• Дата: 13.05.2022
• Размер: 5.42 Mb.
• Имя файла: fizika_90_voprosov.docx
• Тип: Документы; #527598
• страница: 60 из 64

86. Цепная ядерная реакция. Закон радиоактивного распада.

Цепна́я я́дерная реа́кция — последовательность единичных ядерных реакций, каждая из которых вызывается частицей, появившейся как продукт реакции на предыдущем шаге последовательности. Примером цепной ядерной реакции является цепная реакцияделения ядер тяжёлых элементов, при которой основное число актов деления инициируется нейтронами, полученными при делении ядер в предыдущем поколении.

Цепные реакции[править | править вики-текст]

Цепные реакции широко распространены среди химических реакций, где роль частиц с неиспользованными связями выполняют свободные атомы или радикалы. Механизм цепной реакции при ядерных превращениях могут обеспечить нейтроны, не имеющие кулоновского барьера и возбуждающие ядра при поглощении. Появление в среде необходимой частицы вызывает цепь следующих, одна за другой реакций, которая продолжается до обрыва цепи вследствие потери частицы-носителя реакции. Основных причин потерь две: поглощение частицы без испускания вторичной и уход частицы за пределы объёма вещества, поддерживающего цепной процесс. Если в каждом акте реакции появляется только одна частица-носитель, то цепная реакция называется неразветвлённой. Неразветвлённая цепная реакция не может привести к энерговыделению в больших масштабах.

Если в каждом акте реакции или в некоторых звеньях цепи появляется более одной частицы, то возникает разветвленная цепная реакция, ибо одна из вторичных частиц продолжает начатую цепь, а другие дают новые цепи, которые снова ветвятся. Правда, с процессом ветвления конкурируют процессы, приводящие к обрывам цепей, и складывающаяся ситуация порождает специфические для разветвленных цепных реакций предельные или критические явления. Если число обрывов цепей больше, чем число появляющихся новых цепей, то самоподдерживающаяся цепная реакция (СЦР) оказывается невозможной. Даже если её возбудить искусственно, введя в среду какое-то количество необходимых частиц, то, поскольку число цепей в этом случае может только убывать, начавшийся процесс быстро затухает. Если же число образующихся новых цепей превосходит число обрывов, цепная реакция быстро распространяется по всему объёму вещества при появлении хотя бы одной начальной частицы.

Область состояний вещества с развитием цепной самоподдерживающейся реакции отделена от области, где цепная реакция вообще невозможна, критическим состоянием. Критическое состояние характеризуется равенством между числом новых цепей и числом обрывов.

Достижение критического состояния определяется рядом факторов. Деление тяжелого ядра возбуждается одним нейтроном, а в результате акта деления появляется более одного нейтрона (например, для ²³⁵U число нейтронов, родившихся в одном акте деления, в среднем равно 2,34). Следовательно, процесс деления может породить разветвленную цепную реакцию, носителями которой будут служить нейтроны. Если скорость потерь нейтронов (захватов без деления, вылетов из реакционного объёма и т. д.) компенсирует скорость размножения нейтронов таким образом, что эффективный коэффициент размножения нейтронов в точности равен единице, то цепная реакция идёт в стационарном режиме. Введение отрицательных обратных связей между эффективным коэффициентом размножения и скоростью энерговыделения позволяет осуществить управляемую цепную реакцию, которая используется, например, в ядерной энергетике. Если коэффициент размножения больше единицы, цепная реакция развивается экспоненциально; неуправляемая цепная реакция деления используется в ядерном оружии.

Закон радиоактивного распада — физический закон, описывающий зависимость интенсивности радиоактивного распада от времении количества радиоактивных атомов в образце. Открыт Фредериком Содди и Эрнестом Резерфордом, каждый из которых впоследствии был награжден Нобелевской премией. Они обнаружили его экспериментальным путём и опубликовали в 1903 году в работах «Сравнительное изучение радиоактивности радия и тория»^[1] и «Радиоактивное превращение»^[2], сформулировав следующим образом^[3]:

Во всех случаях, когда отделяли один из радиоактивных продуктов и исследовали его активность независимо от радиоактивности вещества, из которого он образовался, было обнаружено, что активность при всех исследованиях уменьшается со временем по закону геометрической прогрессии.

из чего с помощью теоремы Бернулли учёные сделали вывод^{[источник не указан 1379 дней]}:

Скорость превращения всё время пропорциональна количеству систем, еще не подвергнувшихся превращению.

Существует несколько формулировок закона, например, в виде дифференциального уравнения:



которое означает, что число распадов −dN, произошедшее за короткий интервал времени dt, пропорционально числу атомов N в образце.

Содержание

  [убрать] 

• 
  1 Экспоненциальный закон
  
• 
  2 Характеристики распада
  
  • 
    2.1 Среднее время жизни
    
  • 
    2.2 Период полураспада
    
• 
  3 Примеры характеристик распада
  
• 
  4 Интересные факты
  
• 
  5 Примечания
  

Экспоненциальный закон[править | править вики-текст]



Экспоненциальная кривая радиоактивного распада: по оси абсцисс («оси x») — время, пооси ординат («оси y») — количество нераспавшихся ядер или скорость распада в единицу времени.

В указанном выше математическом выражении   — постоянная распада, которая характеризует вероятность радиоактивного распада за единицу времени и имеющая размерность с⁻¹. Знак минус указывает на убыль числа радиоактивных ядер со временем.

Решение этого дифференциального уравнения имеет вид:



где   — начальное число атомов, то есть число атомов для 

Таким образом, число радиоактивных атомов уменьшается со временем по экспоненциальному закону. Скорость распада, то есть число распадов в единицу времени  , также падает экспоненциально. Дифференцируя выражение для зависимости числа атомов от времени, получаем:



где   — скорость распада в начальный момент времени 

Таким образом, зависимость от времени числа нераспавшихся радиоактивных атомов и скорости распада описывается одной и той же постоянной  ^[4][5][6][7].

Характеристики распада[править | править вики-текст]



Наглядная демонстрация закона.

Кроме константы распада   радиоактивный распад характеризуют ещё двумя производными от неё константами, рассмотренными ниже.

Среднее время жизни[править | править вики-текст]

Основная статья: Время жизни

Из закона радиоактивного распада можно получить выражение для среднего времени жизни радиоактивного атома. Число атомов, в момент времени   претерпевших распад в пределах интервала   равно   их время жизни равно   Среднее время жизни получаем интегрированием по всему периоду распада:



Подставляя эту величину в экспоненциальные временные зависимости для   и   легко видеть, что за время   число радиоактивных атомов и активность образца (количество распадов в секунду) уменьшаются в e раз^[4].

Период полураспада[править | править вики-текст]

Основная статья: Период полураспада

На практике получила большее распространение другая временная характеристика — период полураспада   равная времени, в течение которого число радиоактивных атомов или активность образца уменьшаются в 2 раза^[4].

Связь этой величины с постоянной распада можно вывести из соотношения   откуда:



Примеры характеристик распада[править | править вики-текст]

Существующие в природе радионуклиды в основном возникают в сложных цепочках распадов урана и тория и имеют периоды полураспада в очень широкой области значений: от 3·10⁻⁷ секунды для ²¹²Po до 1,4·10¹⁰ лет для ²³²Th. Наибольший зарегистрированный период полураспада имеет изотоп теллура ¹²⁸Te — 2,2·10²⁴ лет. Само существование в настоящее время многих естественных радиоактивных элементов несмотря на то, что с момента образования этих элементов при звёздномнуклеосинтезе прошло более 4,5 млрд лет, является следствием очень больших периодов полураспада ²³⁵U, ²³⁸U, ²³²Th и других природных радионуклидов. К примеру,изотоп ²³⁸U стоит в начале длинной цепочки (так называемый ряд радия), состоящей из 20 изотопов, каждый из которых возникает при α-распаде или β-распадепредыдущего элемента. Период полураспада ²³⁸U (4,5·10⁹ лет) много больше, чем период полураспада любого из последующих элементов радиоактивного ряда, поэтому распад в целом всей цепочки происходит за то же время, что и распад ²³⁸U, её родоначальника, в таких случаях говорят, что цепочка находится в состояниисекулярного (или векового) равновесия^[7]. Примеры характеристик распада некоторых веществ^[8]:

Вещество	238U	235U	234U	210Bi	210Tl
Период полураспада	4,5·109 лет	7,13·108 лет	2,48·105 лет	4,97 дня	1,32 минуты
Постоянная распада	4,84·10−18с−1		8,17·10−14с−1	1,61·10−6с−1	8,75·10−3с−1
Частица	α	α	α	β	β
Полная энергия распада	4,2 МэВ	4,6783[9]	4,75 МэВ	1,17 МэВ	1,80 МэВ

Интересные факты[править | править вики-текст]

Один из открывших закон, Фредерик Содди, в своей научно-популярной книге «The story of atomic energy», изданной в 1949 году, видимо из скромности, ничего не пишет о своём (но и чьём-либо ещё тоже) вкладе в создание этой теории, зато довольно оригинально отзывается о ней^[10][11]:

Следует отметить, что закон превращений одинаков для всех радиоэлементов, являясь самым простым и в то же время практически необъяснимым. Этот закон имеет вероятностную природу. Его можно представить в виде духа разрушения, который в каждый данный момент наугад расщепляет определённое количество существующих атомов, не заботясь об отборе тех из них, которые близки к своему распаду.