Номер 3, страница 241 - гдз по физике 11 класс учебник Жилко, Маркович

3. Опишите механизм деления ядра урана и напишите уравнение данной ядерной реакции.

Механизм деления ядра урана

Деление ядра урана — это процесс расщепления тяжелого атомного ядра на два (реже три) более легких ядра, называемых осколками деления. Этот процесс, как правило, инициируется захватом нейтрона. Наиболее распространенным изотопом, используемым для деления, является уран-235 ($^{235}_{92}U$).

Механизм деления можно описать в несколько этапов на основе капельной модели ядра:

1. Захват нейтрона: Ядро урана-235 поглощает медленный (тепловой) нейтрон. В результате образуется новое, составное ядро урана-236 ($^{236}_{92}U$) в сильно возбужденном состоянии. Энергия возбуждения складывается из кинетической энергии нейтрона и энергии связи этого нейтрона в ядре.
2. Деформация ядра: Возбужденное ядро $^{236}_{92}U$ нестабильно и начинает сильно колебаться, изменяя свою форму. Подобно капле жидкости, оно вытягивается, приобретая форму гантели.
3. Преодоление ядерных сил: В вытянутом ядре расстояние между его частями увеличивается. Силы кулоновского отталкивания между протонами, стремящиеся разорвать ядро, начинают преобладать над короткодействующими ядерными силами, удерживающими нуклоны вместе.
4. Разделение на осколки: Когда деформация достигает критической точки, "перемычка" в гантеле разрывается, и ядро распадается на два осколка деления — ядра более легких элементов (например, бария и криптона, или ксенона и стронция). Эти осколки разлетаются в разные стороны с огромной скоростью под действием кулоновских сил.
5. Высвобождение энергии и нейтронов: Процесс деления сопровождается выделением огромного количества энергии (около 200 МэВ на одно ядро). Эта энергия выделяется за счет дефекта масс: суммарная масса покоя осколков и свободных нейтронов меньше массы исходного ядра и захваченного нейтрона. Кроме осколков, при делении испускаются 2-3 свободных нейтрона.

Именно эти вторичные нейтроны способны вызвать деление других ядер урана, что может привести к самоподдерживающейся цепной реакции, которая используется в ядерных реакторах и ядерном оружии.

Ответ: Механизм деления ядра урана-235 начинается с захвата им медленного нейтрона, что приводит к образованию возбужденного ядра урана-236. Это ядро деформируется, вытягиваясь в форму гантели. Силы кулоновского отталкивания между протонами разрывают ядро на два более легких осколка, при этом высвобождается большое количество энергии и 2-3 свободных нейтрона, которые могут инициировать дальнейшие деления.

Уравнение данной ядерной реакции

Ядерная реакция деления урана-235 может протекать по-разному, приводя к образованию различных пар осколков. Одним из наиболее вероятных каналов реакции является следующий.

Захват нейтрона ядром урана-235 приводит к образованию промежуточного возбужденного ядра урана-236, которое затем распадается. Уравнение одного из возможных вариантов реакции:

$ ^{1}_{0}n + ^{235}_{92}U \rightarrow [^{236}_{92}U]^* \rightarrow ^{141}_{56}Ba + ^{92}_{36}Kr + 3 \cdot ^{1}_{0}n + Q $

Здесь:

• $ ^{1}_{0}n $ — нейтрон;
• $ ^{235}_{92}U $ — ядро урана-235;
• $ [^{236}_{92}U]^* $ — возбужденное ядро урана-236;
• $ ^{141}_{56}Ba $ — ядро бария-141 (осколок деления);
• $ ^{92}_{36}Kr $ — ядро криптона-92 (осколок деления);
• $ 3 \cdot ^{1}_{0}n $ — три свободных нейтрона;
• $ Q $ — выделяющаяся энергия (около 200 МэВ).

В этой реакции соблюдаются законы сохранения массового числа (сумма верхних индексов) и зарядового числа (сумма нижних индексов):

Массовое число: $1 + 235 = 141 + 92 + 3 \cdot 1 \implies 236 = 236$

Зарядовое число: $0 + 92 = 56 + 36 + 3 \cdot 0 \implies 92 = 92$

Ответ: Уравнение одной из типичных реакций деления ядра урана-235 под действием нейтрона имеет вид: $ ^{1}_{0}n + ^{235}_{92}U \rightarrow ^{141}_{56}Ba + ^{92}_{36}Kr + 3 ^{1}_{0}n + Q $.