Номер 5, страница 241 - гдз по физике 11 класс учебник Жилко, Маркович

5. Изобразите графически и объясните процессы, происходящие при цепной реакции в уране $^{235}_{92}\text{U}$.

Цепная реакция деления ядер урана-235

Цепная ядерная реакция деления — это самоподдерживающийся процесс, в котором частицы, испускаемые при делении одного атомного ядра (нейтроны), вызывают деление других ядер. Рассмотрим этот процесс на примере урана-235 ($^{235}_{92}\text{U}$).

Объяснение процессов

1. Инициация. Процесс начинается, когда медленный (тепловой) нейтрон ($n$) захватывается ядром урана-235.
2. Деление. После захвата нейтрона образуется возбужденное, крайне нестабильное ядро урана-236 ($^{236}_{92}\text{U}^*$). Оно практически мгновенно (за время ~$10^{-12}$ с) делится на два более легких ядра, называемых осколками деления. Вариантов деления много, один из типичных примеров:
   $$^{1}_{0}n + ^{235}_{92}\text{U} \rightarrow ^{236}_{92}\text{U}^* \rightarrow ^{141}_{56}\text{Ba} + ^{92}_{36}\text{Kr} + 3(^{1}_{0}n)$$
3. Выделение энергии и нейтронов. Каждый акт деления сопровождается выделением огромной энергии (около 200 МэВ) и испусканием от двух до трех быстрых нейтронов. Именно эти новые нейтроны способны вызвать деление следующих ядер урана.
4. Развитие реакции. Нейтроны, родившиеся в результате деления, могут инициировать новые акты деления. Если в среднем хотя бы один из них вызывает новое деление, то число делений будет расти лавинообразно. Этот процесс и есть цепная реакция.
5. Условия протекания. Для того чтобы реакция стала самоподдерживающейся, необходимо выполнение определенных условий. Ключевым параметром является коэффициент размножения нейтронов k — отношение числа нейтронов данного поколения к числу нейтронов предыдущего поколения.
   • $k < 1$: реакция затухает (подкритическое состояние).
   • $k = 1$: реакция идет с постоянной скоростью (критическое состояние, режим работы ядерного реактора).
   • $k > 1$: реакция развивается лавинообразно, приводя к взрыву (надкритическое состояние, принцип действия атомной бомбы).
   Для достижения $k \geq 1$ масса делящегося вещества должна превышать некоторое минимальное значение, называемое критической массой.

Графическое изображение цепной реакции

Схематически цепную реакцию можно изобразить как разветвляющийся процесс, где каждое поколение реакций порождает следующее.

На схеме показано, как один нейтрон ($n$) вызывает деление ядра урана-235 (Поколение 1). В результате образуются осколки деления и три новых нейтрона. Каждый из этих нейтронов, в свою очередь, может вызвать деление следующего ядра урана (Поколение 2), что приводит к экспоненциальному росту числа реакций.

Ответ: Цепная реакция в уране-235 — это самоподдерживающийся процесс деления ядер, инициируемый медленным нейтроном. При захвате нейтрона ядро $^{235}_{92}\text{U}$ делится на два осколка, высвобождая энергию и 2-3 новых нейтрона. Эти нейтроны вызывают деление следующих ядер, что приводит к лавинообразному нарастанию числа реакций, если масса урана превышает критическую (коэффициент размножения нейтронов $k \ge 1$). Графически этот процесс представляет собой разветвляющуюся цепь, где каждый акт деления порождает новые "звенья" цепи — нейтроны, вызывающие последующие деления, как показано на приведенной схеме.