Kernspaltungsreaktionen- Spaltungsreaktionen, die darin bestehen, dass ein schwerer Kern unter dem Einfluss von Neutronen und, wie sich später herausstellte, auch anderer Teilchen in mehrere leichtere Kerne (Fragmente) aufgeteilt wird, meist in zwei Kerne ähnlicher Masse.

Ein Merkmal der Kernspaltung ist, dass sie mit der Emission von zwei oder drei sekundären Neutronen, sogenannten Neutronen, einhergeht Spaltneutronen. Da für mittlere Kerne die Anzahl der Neutronen ungefähr gleich der Anzahl der Protonen ist ( N/Z ≈ 1), und bei schweren Kernen übersteigt die Zahl der Neutronen die Zahl der Protonen deutlich ( N/Z ≈ 1.6), dann werden die entstehenden Spaltfragmente mit Neutronen überladen, wodurch sie Spaltneutronen freisetzen. Allerdings beseitigt die Emission von Spaltneutronen die Überladung der Fragmentkerne mit Neutronen nicht vollständig. Dadurch werden die Fragmente radioaktiv. Sie können eine Reihe von β-Transformationen durchlaufen, die mit der Emission von γ-Quanten einhergehen. Da der β-Zerfall mit der Umwandlung eines Neutrons in ein Proton einhergeht, erreicht das Verhältnis zwischen Neutronen und Protonen im Fragment nach einer Kette von β-Umwandlungen einen Wert, der einem stabilen Isotop entspricht. Zum Beispiel bei der Spaltung eines Urankerns U

U+ n → Xe + Sr +2 N(265.1)

Spaltfragment Xe verwandelt sich infolge von drei β-Zerfallsvorgängen in das stabile Isotop von Lanthan La:

Heh → Cs → Ba → La.

Spaltfragmente können vielfältig sein, daher ist die Reaktion (265.1) nicht die einzige, die zur Spaltung von U führt.

Die meisten Spaltneutronen werden fast augenblicklich emittiert ( T≤ 10 –14 s) und ein Teil (ca. 0,7 %) wird einige Zeit nach der Spaltung (0,05 s ≤) von Spaltfragmenten emittiert T≤ 60 s). Die ersten von ihnen werden aufgerufen sofort, zweite - zurückgeblieben. Im Durchschnitt entstehen bei jedem Spaltungsereignis 2,5 Neutronen. Sie haben ein relativ breites Energiespektrum von 0 bis 7 MeV mit einer durchschnittlichen Energie von etwa 2 MeV pro Neutron.

Berechnungen zeigen, dass die Kernspaltung auch mit der Freisetzung großer Energiemengen einhergehen muss. Tatsächlich beträgt die spezifische Bindungsenergie für Kerne mittlerer Masse etwa 8,7 MeV, während sie für schwere Kerne 7,6 MeV beträgt. Wenn sich ein schwerer Kern in zwei Fragmente teilt, sollte daher eine Energie von etwa 1,1 MeV pro Nukleon freigesetzt werden.

Die Theorie der Spaltung von Atomkernen (N. Bohr, Ya. I. Frenkel) basiert auf dem Tröpfchenmodell des Kerns. Der Kern wird als Tropfen einer elektrisch geladenen inkompressiblen Flüssigkeit (mit einer Dichte gleich der Kerndichte und den Gesetzen der Quantenmechanik gehorchend) betrachtet, deren Teilchen beim Auftreffen eines Neutrons auf den Kern in eine oszillierende Bewegung geraten, wodurch Der Kern wird in zwei Teile zerrissen und mit enormer Energie zerstreut.

Die Wahrscheinlichkeit einer Kernspaltung wird durch die Energie der Neutronen bestimmt. Wenn beispielsweise hochenergetische Neutronen die Spaltung fast aller Kerne bewirken, dann bewirken Neutronen mit einer Energie von mehreren Megaelektronenvolt nur die Spaltung schwerer Kerne ( A>210), Neutronen mit Aktivierungsenergie(die minimale Energie, die zur Durchführung einer Kernspaltungsreaktion erforderlich ist) in der Größenordnung von 1 MeV führt zur Spaltung der Kerne von Uran U, Thorium Th, Protactinium Pa und Plutonium Pu. Thermische Neutronen spalten die Kerne von U, Pu und U, Th (die letzten beiden Isotope kommen in der Natur nicht vor, sie werden künstlich gewonnen).

Sekundäre Neutronen, die bei der Kernspaltung emittiert werden, können neue Spaltungsereignisse verursachen, was dies ermöglicht Spaltkettenreaktion- eine Kernreaktion, bei der die die Reaktion auslösenden Teilchen als Produkte dieser Reaktion entstehen. Kettenreaktion Teilung gekennzeichnet ist Multiplikationsfaktor k Neutronen, was dem Verhältnis der Anzahl der Neutronen in einer bestimmten Generation zu ihrer Anzahl in der vorherigen Generation entspricht. Eine notwendige Bedingung für die Entwicklung einer Spaltkettenreaktion ist Anforderung k ≥ 1.

Es stellt sich heraus, dass nicht alle erzeugten sekundären Neutronen eine anschließende Kernspaltung verursachen, was zu einer Verringerung des Multiplikationsfaktors führt. Erstens aufgrund der endlichen Dimensionen Kern(der Raum, in dem eine wertvolle Reaktion stattfindet) und die hohe Durchdringungsfähigkeit von Neutronen verlassen einige von ihnen die aktive Zone, bevor sie von einem Kern eingefangen werden. Zweitens werden einige Neutronen von den Kernen nicht spaltbarer Verunreinigungen eingefangen, die immer im Kern vorhanden sind. Darüber hinaus können neben der Spaltung konkurrierende Prozesse des Strahlungseinfangs und der inelastischen Streuung stattfinden.

Der Multiplikationskoeffizient hängt von der Art des spaltbaren Stoffes und für ein bestimmtes Isotop von seiner Menge sowie von der Größe und Form der aktiven Zone ab. Mindestmaße aktive Zone, in der eine Kettenreaktion möglich ist, werden genannt kritische Größen. Die Mindestmasse an spaltbarem Material in einem System mit kritischen Abmessungen, die zur Umsetzung erforderlich ist Kettenreaktion, angerufen kritische Masse.

Die Geschwindigkeit der Entwicklung von Kettenreaktionen ist unterschiedlich. Lassen T - durchschnittliche Zeit

Leben einer Generation und N- die Anzahl der Neutronen in einer bestimmten Generation. In der nächsten Generation ist ihre Zahl gleich kN,T. h. Erhöhung der Neutronenzahl pro Generation dN = kN – N = N(k – 1). Die Zunahme der Neutronenzahl pro Zeiteinheit, also die Wachstumsgeschwindigkeit der Kettenreaktion,

. (266.1)

Durch Integrieren von (266.1) erhalten wir

,

Wo N 0 ist die Anzahl der Neutronen zum Anfangszeitpunkt und N- jeweils ihre Anzahl T. N bestimmt durch das Vorzeichen ( k– 1). Bei k>1 kommt sich entwickelnde Reaktion, Die Zahl der Spaltungen nimmt kontinuierlich zu und die Reaktion kann explosiv werden. Bei k=1 geht selbsterhaltende Reaktion bei dem sich die Anzahl der Neutronen im Laufe der Zeit nicht ändert. Bei k <1 идет nachlassende Reaktion

Kettenreaktionen umfassen kontrollierte und unkontrollierbare. Die Explosion einer Atombombe beispielsweise ist eine unkontrollierte Reaktion. Um zu verhindern, dass eine Atombombe während der Lagerung explodiert, wird U (oder Pu) darin in zwei voneinander entfernte Teile mit Massen unterhalb des kritischen Werts geteilt. Dann rücken diese Massen mit Hilfe einer gewöhnlichen Explosion näher zusammen, die Gesamtmasse der spaltbaren Substanz wird größer als die kritische und es kommt zu einer explosiven Kettenreaktion, begleitet von der sofortigen Freisetzung großer Energiemengen und großer Zerstörung . Die explosive Reaktion beginnt aufgrund verfügbarer Neutronen aus spontaner Spaltung oder Neutronen aus kosmischer Strahlung. In Kernreaktoren kommt es zu kontrollierten Kettenreaktionen.

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§ 107 Spaltung von Urankernen

Nur die Kerne einiger schwerer Elemente können in Teile geteilt werden. Bei der Kernspaltung werden zwei oder drei Neutronen und -strahlen emittiert. Gleichzeitig wird viel Energie freigesetzt.

Entdeckung der Uranspaltung. Die Spaltung von Urankernen wurde 1938 von den deutschen Wissenschaftlern O. Hahn iF entdeckt. Straßmann. Sie fanden heraus, dass beim Beschuss von Uran mit Neutronen Elemente des mittleren Teils erscheinen Periodensystem: Barium, Krypton usw. Die korrekte Interpretation dieser Tatsache als Spaltung eines Urankerns, der ein Neutron einfing, wurde jedoch Anfang 1939 vom englischen Physiker O. Frisch zusammen mit dem österreichischen Physiker L. Meitner gegeben.

Der Neutroneneinfang stört die Stabilität des Kerns. Der Kern wird angeregt und instabil, was zu seiner Teilung in Fragmente führt. Eine Kernspaltung ist möglich, weil die Ruhemasse eines schweren Kerns größer ist als die Summe der Ruhemassen der bei der Spaltung entstehenden Bruchstücke. Daher kommt es zu einer Energiefreisetzung, die der mit der Spaltung einhergehenden Abnahme der Ruhemasse entspricht.

Die Möglichkeit der Spaltung schwerer Kerne lässt sich auch anhand einer grafischen Darstellung der spezifischen Bindungsenergie über der Massenzahl A erklären (siehe Abb. 13.11). Die spezifische Bindungsenergie der Kerne von Atomen von Elementen, die die letzten Plätze im Periodensystem einnehmen (A 200), ist etwa 1 MeV geringer als die spezifische Bindungsenergie in den Kernen von Elementen, die sich in der Mitte des Periodensystems befinden (A 100). . Daher ist der Prozess der Spaltung schwerer Kerne in Kerne von Elementen im mittleren Teil des Periodensystems energetisch günstig. Nach der Spaltung geht das System in einen Zustand mit minimaler innerer Energie über. Denn je größer die Bindungsenergie des Kerns ist, desto größer ist die Energie, die bei der Entstehung des Kerns freigesetzt werden soll, und desto geringer ist folglich die innere Energie des neu gebildeten Systems.

Bei der Kernspaltung erhöht sich die Bindungsenergie pro Nukleon um 1 MeV und die insgesamt freigesetzte Energie muss enorm sein – in der Größenordnung von 200 MeV. Keine andere Kernreaktion (die nicht mit der Kernspaltung zusammenhängt) setzt so große Energien frei.

Direkte Messungen der bei der Spaltung eines Urankerns freigesetzten Energie bestätigten die obigen Überlegungen und ergaben einen Wert von 200 MeV. Darüber hinaus am meisten Diese Energie (168 MeV) ist für die kinetische Energie der Fragmente verantwortlich. In Abbildung 13.13 sehen Sie die Spuren spaltbarer Uranfragmente in einer Nebelkammer.

Die bei der Kernspaltung freigesetzte Energie ist eher elektrostatischen als nuklearen Ursprungs. Die große kinetische Energie der Fragmente entsteht durch ihre Coulomb-Abstoßung.

Mechanismus der Kernspaltung. Teilungsprozess Atomkern lässt sich anhand des Tröpfchenmodells des Kerns erklären. Nach diesem Modell ähnelt ein Nukleonenbündel einem Tröpfchen einer geladenen Flüssigkeit (Abb. 13.14, a). Kernkräfte zwischen Nukleonen haben eine kurze Reichweite, wie die Kräfte, die zwischen flüssigen Molekülen wirken. Neben den großen Kräften der elektrostatischen Abstoßung zwischen den Protonen, die dazu neigen, den Kern in Stücke zu reißen, gibt es noch größere nukleare Anziehungskräfte. Diese Kräfte verhindern, dass der Kern zerfällt.

Der Uran-235-Kern hat eine kugelförmige Form. Nachdem es ein zusätzliches Neutron absorbiert hat, wird es angeregt und beginnt sich zu verformen, wobei es eine längliche Form annimmt (Abb. 13.14, b). Der Kern wird gedehnt, bis die abstoßenden Kräfte zwischen den Hälften des länglichen Kerns beginnen, die anziehenden Kräfte im Isthmus zu überwiegen (Abb. 13.14, c). Danach zerfällt es in zwei Teile (Abb. 13.14, d).

Unter dem Einfluss der Coulomb-Abstoßungskräfte fliegen diese Fragmente mit einer Geschwindigkeit auseinander, die 1/30 der Lichtgeschwindigkeit entspricht.

Emission von Neutronen bei der Spaltung. Eine grundlegende Tatsache der Kernspaltung ist die Emission von zwei bis drei Neutronen während des Spaltvorgangs. Dadurch wurde die praktische Nutzung intranuklearer Energie möglich.

Anhand der folgenden Überlegungen lässt sich verstehen, warum freie Neutronen emittiert werden. Es ist bekannt, dass das Verhältnis der Neutronenzahl zur Protonenzahl in stabilen Kernen mit zunehmender Ordnungszahl zunimmt. Daher entstehen die Fragmente bei der Spaltung relative Zahl Es gibt mehr Neutronen, als für die Atomkerne in der Mitte des Periodensystems zulässig sind. Dadurch werden bei der Spaltung mehrere Neutronen freigesetzt. Ihre Energie hat verschiedene Bedeutungen- von mehreren Millionen Elektronenvolt bis zu sehr kleinen, nahe Null.

Die Spaltung erfolgt normalerweise in Fragmente, deren Massen sich um etwa das 1,5-fache unterscheiden. Diese Fragmente sind stark radioaktiv, da sie übermäßig viele Neutronen enthalten. Als Ergebnis einer Reihe aufeinanderfolgender Zerfälle werden schließlich stabile Isotope erhalten.

Zusammenfassend stellen wir fest, dass es auch zu einer spontanen Spaltung von Urankernen kommt. Es wurde 1940 von den sowjetischen Physikern G. N. Flerov und K. A. Petrzhak entdeckt. Die Halbwertszeit für die spontane Spaltung beträgt 10 bis 16 Jahre. Das ist zwei Millionen Mal länger als die Halbwertszeit von Uran.

Die Reaktion der Kernspaltung geht mit der Freisetzung von Energie einher.

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Kernspaltung- der Vorgang der Spaltung eines Atomkerns in zwei (seltener drei) Kerne mit ähnlicher Masse, sogenannte Spaltfragmente. Durch die Spaltung können auch andere Reaktionsprodukte entstehen: leichte Kerne (hauptsächlich Alphateilchen), Neutronen und Gammastrahlen. Die Spaltung kann spontan (spontan) und erzwungen (infolge der Wechselwirkung mit anderen Teilchen, hauptsächlich Neutronen) erfolgen. Die Spaltung schwerer Kerne ist ein exothermer Prozess, der zur Freisetzung von führt große Zahl Energie in Form von kinetischer Energie von Reaktionsprodukten sowie Strahlung. Die Kernspaltung dient als Energiequelle in Kernreaktoren und Kernwaffen. Der Spaltungsprozess kann nur stattfinden, wenn die potentielle Energie des Anfangszustands des spaltenden Kerns die Summe der Massen der Spaltfragmente übersteigt. Da die spezifische Bindungsenergie schwerer Kerne mit zunehmender Masse abnimmt, ist diese Bedingung für fast alle Kerne mit der Massenzahl erfüllt.

Die Erfahrung zeigt jedoch, dass selbst die schwersten Kerne mit sehr geringer Wahrscheinlichkeit spontan spalten. Das bedeutet, dass es eine Energiebarriere gibt ( Spaltbarriere), wodurch eine Teilung verhindert wird. Zur Beschreibung des Prozesses der Kernspaltung, einschließlich der Berechnung der Spaltbarriere, werden mehrere Modelle verwendet, aber keines davon kann den Prozess vollständig erklären.

Die Tatsache, dass bei der Spaltung schwerer Kerne Energie freigesetzt wird, ergibt sich direkt aus der Abhängigkeit der spezifischen Bindungsenergie ε = E leicht (A,Z)/A aus der Massenzahl A. Bei der Spaltung eines schweren Kerns entstehen leichtere Kerne, in denen die Nukleonen stärker gebunden sind und bei der Spaltung ein Teil der Energie freigesetzt wird. In der Regel geht die Kernspaltung mit der Emission von 1–4 Neutronen einher. Drücken wir die Spaltungsenergie Q durch die Bindungsenergien der Anfangs- und Endkerne aus. Wir schreiben die Energie des ursprünglichen Kerns, der aus Z Protonen und N Neutronen besteht und eine Masse M(A,Z) und eine Bindungsenergie E st (A,Z) hat, in der folgenden Form:

M(A,Z)c 2 = (Zm p + Nm n)c 2 - E St (A,Z).

Die Teilung des Kerns (A,Z) in 2 Fragmente (A 1,Z 1) und (A 2,Z 2) geht mit der Bildung von N n einher = A – A 1 – A 2 schnelle Neutronen. Wenn ein Kern (A,Z) in Fragmente mit den Massen M 1 (A 1 ,Z 1), M 2 (A 2 ,Z 2) und den Bindungsenergien E св1 (A 1,Z 1), E св2 (A 2) zerfällt , Z 2), dann haben wir für die Spaltungsenergie den Ausdruck:

Q div = (M(A,Z) – )c 2 = E St 1 (A 1 ,Z 1) + E St (A 2 ,Z 2) – E St (A,Z),

A = A 1 + A 2 + N n, Z = Z 1 + Z 2.

23. Elementare Spaltungstheorie.

Im Jahr 1939 N. Bor Und J. Wheeler, und auch Ja, Frenkel Lange bevor die Kernspaltung umfassend experimentell untersucht wurde, wurde eine Theorie dieses Prozesses vorgeschlagen, die auf der Idee des Kerns als Tropfen einer geladenen Flüssigkeit basierte.

Die bei der Spaltung freigesetzte Energie kann direkt gewonnen werden Weizsäcker-Formeln.

Berechnen wir die Energiemenge, die bei der Spaltung eines schweren Kerns freigesetzt wird. Setzen wir in (f.2) die Ausdrücke für die Bindungsenergien der Kerne (f.1) ein, unter der Annahme, dass A 1 = 240 und Z 1 = 90. Wir vernachlässigen den letzten Term in (f.1) aufgrund seiner Kleinheit und ersetzen ihn die Werte der Parameter a 2 und a 3 ,wir erhalten

Daraus ergibt sich, dass die Spaltung energetisch günstig ist, wenn Z 2 /A > 17. Der Wert von Z 2 /A wird Spaltbarkeitsparameter genannt. Die bei der Spaltung freigesetzte Energie E nimmt mit zunehmendem Z 2 /A zu; Z 2 /A = 17 für Kerne im Yttrium- und Zirkoniumbereich. Aus den erhaltenen Schätzungen geht klar hervor, dass die Spaltung für alle Kerne mit A > 90 energetisch günstig ist. Warum sind die meisten Kerne stabil gegenüber spontaner Spaltung? Um diese Frage zu beantworten, schauen wir uns an, wie sich die Form des Kerns während der Spaltung ändert.

Während des Spaltungsprozesses durchläuft der Kern nacheinander die folgenden Phasen (Abb. 2): eine Kugel, ein Ellipsoid, eine Hantel, zwei birnenförmige Fragmente, zwei kugelförmige Fragmente. Wie verändert sich die potentielle Energie eines Kerns in verschiedenen Phasen der Spaltung? Nachdem die Spaltung stattgefunden hat und sich die Fragmente in einem Abstand voneinander befinden, der viel größer ist als ihr Radius, kann die potentielle Energie der Fragmente, die durch die Coulomb-Wechselwirkung zwischen ihnen bestimmt wird, als gleich Null angesehen werden.

Betrachten wir das Anfangsstadium der Spaltung, in dem der Kern mit zunehmendem r die Form eines immer länger werdenden Rotationsellipsoids annimmt. In diesem Teilungsstadium ist r ein Maß für die Abweichung des Kerns von der Kugelform (Abb. 3). Aufgrund der Entwicklung der Form des Kerns wird die Änderung seiner potentiellen Energie durch die Änderung der Summe der Oberflächen- und Coulomb-Energien E" n + E" k bestimmt. Es wird angenommen, dass das Volumen des Kerns unverändert bleibt während des Verformungsprozesses. In diesem Fall nimmt die Oberflächenenergie E"n mit zunehmender Oberfläche des Kerns zu. Die Coulomb-Energie E"k nimmt mit zunehmendem durchschnittlichen Abstand zwischen Nukleonen ab. Lassen Sie den Kugelkern durch eine leichte Verformung, die durch einen kleinen Parameter gekennzeichnet ist, die Form eines axialsymmetrischen Ellipsoids annehmen. Es kann gezeigt werden, dass die Oberflächenenergie E" n und die Coulomb-Energie E" k wie folgt variieren, abhängig von:

Bei kleinen ellipsoidischen Verformungen erfolgt die Zunahme der Oberflächenenergie schneller als die Abnahme der Coulomb-Energie. Im Bereich schwerer Kerne 2E n > E k nimmt die Summe der Oberflächen- und Coulomb-Energien mit zunehmendem zu. Aus (f.4) und (f.5) folgt, dass bei kleinen ellipsoidischen Verformungen eine Erhöhung der Oberflächenenergie weitere Änderungen der Kernform und damit die Spaltung verhindert. Ausdruck (f.5) gilt für kleine Werte (kleine Verformungen). Wenn die Verformung so groß ist, dass der Kern die Form einer Hantel annimmt, neigen Oberflächenspannungskräfte wie Coulomb-Kräfte dazu, den Kern zu trennen und den Fragmenten eine Kugelform zu verleihen. In diesem Spaltungsstadium geht eine Zunahme der Spannung mit einer Abnahme sowohl der Coulomb- als auch der Oberflächenenergie einher. Diese. Mit einer allmählichen Zunahme der Verformung des Kerns durchläuft seine potentielle Energie ein Maximum. Nun hat r die Bedeutung des Abstands zwischen den Mittelpunkten zukünftiger Fragmente. Wenn sich die Fragmente voneinander entfernen, nimmt die potentielle Energie ihrer Wechselwirkung ab, da die Coulomb-Abstoßungsenergie Ek abnimmt. Die Abhängigkeit der potentiellen Energie vom Abstand zwischen den Fragmenten ist in Abb. dargestellt. 4. Das Nullniveau der potentiellen Energie entspricht der Summe der Oberflächen- und Coulomb-Energien zweier nicht wechselwirkender Fragmente. Das Vorhandensein einer potentiellen Barriere verhindert die sofortige spontane Spaltung von Kernen. Damit sich ein Kern sofort spalten kann, muss er eine Energie Q übertragen, die die Höhe der Barriere H übersteigt. Die maximale potentielle Energie eines spaltbaren Kerns ist ungefähr gleich e 2 Z 2 /(R 1 + R 2), wobei R 1 und R 2 die Radien der Fragmente sind. Wenn beispielsweise ein Goldkern in zwei identische Fragmente geteilt wird, ist e 2 Z 2 /(R 1 + R 2) = 173 MeV und die Energiemenge E, die bei der Spaltung freigesetzt wird ( siehe Formel (f.2)), gleich 132 MeV. Daher ist es bei der Spaltung eines Goldkerns notwendig, eine Potentialbarriere mit einer Höhe von etwa 40 MeV zu überwinden. , Je höher die Barrierenhöhe H, desto geringer ist das Verhältnis von Coulomb- und Oberflächenenergie E zu /E p im Ausgangskeim. Dieses Verhältnis wiederum steigt mit zunehmendem Teilbarkeitsparameter Z 2 /A (

siehe (f.4) ). Je schwerer der Kern, desto geringer ist die Höhe der Barriere H ca. 10 -22 s) teilen sich spontan. Die Existenz von Atomkernen mit Z 2 /A > 49 („Insel der Stabilität“) wird durch den Schalenaufbau erklärt. Die Abhängigkeit der Form, Höhe der Potentialbarriere H und der Spaltungsenergie E vom Wert des Spaltungsparameters Z 2 /A ist in Abb. dargestellt. 5.

Spontane Kernspaltung mit Z 2 /A< 49, для которых высота барьера Н не равна нулю, с точки зрения классической физики невозможно. С точки зрения квантовой механики такое деление возможно в результате прохождения через потенциальный барьер и носит название спонтанного деления. Вероятность спонтанного деления растет с увеличением параметра делимости Z 2 /А, т.е. с уменьшением высоты барьера. В целом период полураспада относительно спонтанного деления уменьшается при переходе от менее тяжелых ядер к более тяжелым от Т 1/2 > 10 21 Jahre für 232 Th bis 0,3 s für 260 Ku. Erzwungene Kernspaltung mit Z 2 /A < 49 может быть вызвано любыми частицами: фотонами, нейтронами, протонами, дейтронами, -частицами и т.д., если энергия, которую они вносят в ядро достаточна для преодоления барьера деления.

Klasse

Lektion Nr. 42-43

Kettenreaktion der Spaltung von Urankernen. Kernenergie und Ökologie. Radioaktivität. Halbwertszeit.

Kernreaktionen

Eine Kernreaktion ist der Prozess der Wechselwirkung eines Atomkerns mit einem anderen Kern oder Elementarteilchen, der mit einer Veränderung der Zusammensetzung und Struktur des Kerns und der Freisetzung von Sekundärteilchen oder γ-Quanten einhergeht.

Durch Kernreaktionen können neue radioaktive Isotope entstehen, die auf der Erde nicht vorkommen natürliche Bedingungen.

Die erste Kernreaktion wurde 1919 von E. Rutherford in Experimenten zum Nachweis von Protonen in Kernzerfallsprodukten durchgeführt (siehe § 9.5). Rutherford bombardierte Stickstoffatome mit Alphateilchen. Beim Zusammenstoß der Teilchen kam es zu einer Kernreaktion, die nach folgendem Schema ablief:

Bei Kernreaktionen mehrere Naturschutzgesetze: Impuls, Energie, Drehimpuls, Ladung. Zusätzlich zu diesen klassischen Erhaltungssätzen bei Kernreaktionen gilt der Erhaltungssatz der sogenannten Baryonenladung(das heißt, die Anzahl der Nukleonen – Protonen und Neutronen). Es gelten auch eine Reihe anderer Erhaltungssätze, die speziell für die Kern- und Teilchenphysik gelten.

Kernreaktionen können auftreten, wenn Atome mit schnell geladenen Teilchen (Protonen, Neutronen, α-Teilchen, Ionen) beschossen werden. Die erste Reaktion dieser Art wurde 1932 mit hochenergetischen Protonen durchgeführt, die an einem Beschleuniger erzeugt wurden:

Dabei sind M A und M B die Massen der Ausgangsprodukte, M C und M D die Massen der Endreaktionsprodukte. Man nennt die Größe ΔM Massendefekt. Kernreaktionen können unter Freisetzung (Q > 0) oder unter Aufnahme von Energie (Q) ablaufen< 0). Во втором случае первоначальная кинетическая энергия исходных продуктов должна превышать величину |Q|, которая называется порогом реакции.

Damit eine nukleare Reaktion positiv ist Energieabgabe, spezifische Bindungsenergie Die Nukleonen in den Kernen der Ausgangsprodukte müssen kleiner sein als die spezifische Bindungsenergie der Nukleonen in den Kernen der Endprodukte. Das bedeutet, dass der ΔM-Wert positiv sein muss.

Grundsätzlich sind zwei möglich verschiedene Wege Befreiung der Kernenergie.

1. Spaltung schwerer Kerne. Im Gegensatz zum radioaktiven Zerfall von Kernen, der mit der Emission von α- oder β-Teilchen einhergeht, handelt es sich bei Spaltungsreaktionen um einen Prozess, bei dem ein instabiler Kern in zwei große Fragmente vergleichbarer Masse geteilt wird.

1939 entdeckten die deutschen Wissenschaftler O. Hahn und F. Strassmann die Spaltung von Urankernen. Sie setzten die von Fermi begonnenen Forschungen fort und stellten fest, dass beim Beschuss von Uran mit Neutronen Elemente des mittleren Teils des Periodensystems entstehen – radioaktive Isotope von Barium (Z = 56), Krypton (Z = 36) usw.

Uran kommt in der Natur in Form von zwei Isotopen vor: (99,3 %) und (0,7 %). Beim Beschuss mit Neutronen können die Kerne beider Isotope in zwei Fragmente zerfallen. In diesem Fall erfolgt die Spaltungsreaktion am intensivsten bei langsamen (thermischen) Neutronen, während Kerne nur bei schnellen Neutronen mit einer Energie in der Größenordnung von 1 MeV eine Spaltungsreaktion eingehen.

Das Hauptinteresse für die Kernenergie gilt der Spaltungsreaktion eines Kerns. Derzeit sind etwa 100 verschiedene Isotope mit Massenzahlen von etwa 90 bis 145 bekannt, die bei der Spaltung dieses Kerns entstehen. Zwei typische Spaltungsreaktionen dieses Kerns sind:

Beachten Sie, dass die durch ein Neutron ausgelöste Kernspaltung neue Neutronen erzeugt, die Spaltungsreaktionen in anderen Kernen auslösen können. Spaltprodukte von Uran-235-Kernen können auch andere Isotope von Barium, Xenon, Strontium, Rubidium usw. sein.

Die bei der Spaltung eines Urankerns freigesetzte kinetische Energie ist enorm – etwa 200 MeV. Eine Abschätzung der bei der Kernspaltung freigesetzten Energie kann mit erfolgen spezifische Bindungsenergie Nukleonen im Kern. Die spezifische Bindungsenergie von Nukleonen in Kernen mit der Massenzahl A ≈ 240 beträgt etwa 7,6 MeV/Nukleon, während in Kernen mit Massenzahlen A = 90–145 die spezifische Energie etwa 8,5 MeV/Nukleon beträgt. Folglich wird bei der Spaltung eines Urankerns Energie in der Größenordnung von 0,9 MeV/Nukleon oder etwa 210 MeV pro Uranatom freigesetzt. Die vollständige Spaltung aller in 1 g Uran enthaltenen Kerne setzt die gleiche Energie frei wie die Verbrennung von 3 Tonnen Kohle oder 2,5 Tonnen Öl.

Die Spaltprodukte des Urankerns sind instabil, da sie einen erheblichen Überschuss an Neutronen enthalten. Tatsächlich liegt das N/Z-Verhältnis für die schwersten Kerne in der Größenordnung von 1,6 (Abb. 9.6.2), für Kerne mit Massenzahlen von 90 bis 145 liegt dieses Verhältnis in der Größenordnung von 1,3–1,4. Daher durchlaufen Fragmentkerne eine Reihe aufeinanderfolgender β – -Zerfälle, wodurch die Anzahl der Protonen im Kern zunimmt und die Anzahl der Neutronen abnimmt, bis ein stabiler Kern entsteht.

Bei der Spaltung eines Uran-235-Kerns, die durch eine Kollision mit einem Neutron verursacht wird, werden 2 oder 3 Neutronen freigesetzt. Unter günstigen Bedingungen können diese Neutronen auf andere Urankerne treffen und diese spalten. In diesem Stadium erscheinen 4 bis 9 Neutronen, die neue Zerfälle von Urankernen usw. verursachen können. Ein solcher lawinenartiger Prozess wird als Kettenreaktion bezeichnet. Entwicklungsplan Kettenreaktion Die Spaltung von Urankernen ist in Abb. dargestellt. 9.8.1.

Abbildung 9.8.1.

Diagramm der Entwicklung einer Kettenreaktion. Damit eine Kettenreaktion stattfinden kann, ist es notwendig, dass die sogenannte Neutronenmultiplikationsfaktor

war größer als eins. Mit anderen Worten: In jeder nachfolgenden Generation sollte es mehr Neutronen geben als in der vorherigen. Der Multiplikationskoeffizient wird nicht nur durch die Anzahl der bei jedem Elementarakt erzeugten Neutronen bestimmt, sondern auch durch die Bedingungen, unter denen die Reaktion stattfindet – ein Teil der Neutronen kann von anderen Kernen absorbiert werden oder die Reaktionszone verlassen. Neutronen, die bei der Spaltung von Uran-235-Kernen freigesetzt werden, können nur die Spaltung der Kerne desselben Urans bewirken, das nur 0,7 % des natürlichen Urans ausmacht. Diese Konzentration reicht nicht aus, um eine Kettenreaktion auszulösen. Das Isotop kann auch Neutronen absorbieren, was jedoch keine Kettenreaktion auslöst. Eine Kettenreaktion in Uran mit einem erhöhten Gehalt an Uran-235 kann sich nur entwickeln, wenn die Uranmasse das sogenannte überschreitet kritische Masse. In kleinen Uranstücken fliegen die meisten Neutronen heraus, ohne einen Kern zu treffen. Für reines Uran-235 liegt die kritische Masse bei etwa 50 kg. Die kritische Masse von Uran kann durch den Einsatz sogenannter Uran um ein Vielfaches reduziert werden Verzögerer Neutronen. Tatsache ist, dass Neutronen, die beim Zerfall von Urankernen entstehen, zu hohe Geschwindigkeiten haben und die Wahrscheinlichkeit, langsame Neutronen durch Uran-235-Kerne einzufangen, um ein Hundertfaches größer ist als durch schnelle. Der beste Neutronenmoderator ist schweres Wasser

D 2 O. Bei der Wechselwirkung mit Neutronen verwandelt sich gewöhnliches Wasser selbst in schweres Wasser.

Auch Graphit, dessen Kerne keine Neutronen absorbieren, ist ein guter Moderator. Bei der elastischen Wechselwirkung mit Deuterium- oder Kohlenstoffkernen werden Neutronen auf thermische Geschwindigkeit abgebremst.

Durch den Einsatz von Neutronenmoderatoren und einer speziellen Berylliumhülle, die Neutronen reflektiert, lässt sich die kritische Masse auf 250 g reduzieren. IN Atombomben

Ein Gerät, das eine kontrollierte Kernspaltungsreaktion unterstützt, wird genannt nuklear(oder atomar) Reaktor. Das Diagramm eines Kernreaktors mit langsamen Neutronen ist in Abb. dargestellt. 9.8.2.

Abbildung 9.8.2.

Diagramm eines Kernreaktors.

Die Kernreaktion findet im Reaktorkern statt, der mit einem Moderator gefüllt ist und von Stäben durchdrungen wird, die eine angereicherte Mischung von Uranisotopen mit einem hohen Anteil an Uran-235 (bis zu 3 %) enthalten. In den Kern werden cadmium- oder borhaltige Steuerstäbe eingebracht, die Neutronen intensiv absorbieren. Durch das Einführen von Stäben in den Kern können Sie die Geschwindigkeit der Kettenreaktion steuern. Der Kern wird mit einem gepumpten Kühlmittel gekühlt, bei dem es sich um Wasser oder ein Metall mit niedrigem Schmelzpunkt (z. B. Natrium mit einem Schmelzpunkt von 98 °C) handeln kann. In einem Dampferzeuger überträgt das Kühlmittel Wärmeenergie auf Wasser und wandelt es in Dampf um Hochdruck

. Der Dampf wird zu einer Turbine geleitet, die an einen elektrischen Generator angeschlossen ist. Von der Turbine gelangt Dampf in den Kondensator. Um Strahlungslecks zu vermeiden, arbeiten die Kreisläufe Kühlmittel I und Dampferzeuger II in geschlossenen Kreisläufen. Die Turbine eines Kernkraftwerks ist eine Wärmekraftmaschine, die nach dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik den Gesamtwirkungsgrad der Anlage bestimmt. Moderne Kernkraftwerke haben einen Koeffizienten nützliche Aktion

ungefähr gleich Um 1000 MW elektrische Leistung zu erzeugen, muss die thermische Leistung des Reaktors 3000 MW erreichen. 2000 MW müssen durch das Wasser abgeführt werden, das den Kondensator kühlt. Dies führt zu einer lokalen Überhitzung natürlicher Stauseen und der daraus resultierenden Entstehung von Umweltproblemen. Jedoch, Hauptproblem besteht darin, den vollständigen Strahlenschutz der arbeitenden Personen zu gewährleisten Kernkraftwerke

Neben dem oben beschriebenen Kernreaktor, der mit langsamen Neutronen arbeitet, sind Reaktoren, die ohne Moderator mit schnellen Neutronen arbeiten, von großem praktischem Interesse. In solchen Reaktoren ist der Kernbrennstoff eine angereicherte Mischung, die mindestens 15 % des Isotops enthält. Der Vorteil schneller Neutronenreaktoren besteht darin, dass während ihres Betriebs Uran-238-Kerne, die Neutronen absorbieren, durch zwei aufeinanderfolgende β-Kerne in Plutoniumkerne umgewandelt werden. zerfällt, die dann als Kernbrennstoff verwendet werden können:

Der Brutfaktor solcher Reaktoren erreicht 1,5, d. h. aus 1 kg Uran-235 werden bis zu 1,5 kg Plutonium gewonnen. Auch konventionelle Reaktoren produzieren Plutonium, allerdings in deutlich geringeren Mengen.

Erste Kernreaktor wurde 1942 in den USA unter der Leitung von E. Fermi gebaut. In unserem Land wurde der erste Reaktor 1946 unter der Leitung von I.V. Kurchatov gebaut.

2. Thermonukleare Reaktionen. Der zweite Weg zur Freisetzung von Kernenergie ist mit Fusionsreaktionen verbunden. Wenn leichte Kerne verschmelzen und einen neuen Kern bilden, muss eine große Energiemenge freigesetzt werden. Dies lässt sich anhand der Kurve der spezifischen Bindungsenergie über der Massenzahl A erkennen (Abb. 9.6.1). Bis zu Kernen mit einer Massenzahl von etwa 60 nimmt die spezifische Bindungsenergie von Nukleonen mit zunehmendem A zu. Daher ist die Synthese jedes Kerns mit A möglich< 60 из более легких ядер должен сопровождаться выделением энергии. Общая масса продуктов реакции синтеза будет в этом случае меньше массы первоначальных частиц.

Fusionsreaktionen leichter Kerne werden genannt thermonukleare Reaktionen, da sie nur bei sehr hohen Temperaturen auftreten können. Damit zwei Kerne eine Fusionsreaktion eingehen können, müssen sie sich einander auf einen Abstand von Kernkräften in der Größenordnung von 2·10–15 m annähern und dabei die elektrische Abstoßung ihrer positiven Ladungen überwinden. Dazu muss die mittlere kinetische Energie der thermischen Bewegung von Molekülen die potentielle Energie der Coulomb-Wechselwirkung übersteigen. Die Berechnung der hierfür erforderlichen Temperatur T führt zu einem Wert in der Größenordnung von 10 8 –10 9 K. Dies ist eine extrem hohe Temperatur. Bei dieser Temperatur befindet sich der Stoff in einem vollständig ionisierten Zustand, der sogenannte Plasma.

Die bei thermonuklearen Reaktionen pro Nukleon freigesetzte Energie ist um ein Vielfaches höher als die spezifische Energie, die bei Kettenreaktionen der Kernspaltung freigesetzt wird. Zum Beispiel bei der Fusionsreaktion von Deuterium- und Tritiumkernen

Es werden 3,5 MeV/Nukleon freigesetzt. Insgesamt werden bei dieser Reaktion 17,6 MeV freigesetzt. Dies ist eine der vielversprechendsten thermonuklearen Reaktionen.

Durchführung kontrollierte thermonukleare Reaktionen wird der Menschheit ein neues umweltfreundliches und praktisches Leben ermöglichen unerschöpfliche Quelle Energie. Allerdings stellt die Erzielung ultrahoher Temperaturen und die Eindämmung des auf eine Milliarde Grad erhitzten Plasmas die schwierigste wissenschaftliche und technische Aufgabe auf dem Weg zur Umsetzung einer kontrollierten Kernfusion dar.

In diesem Entwicklungsstadium von Wissenschaft und Technik war eine Umsetzung nur möglich unkontrollierte Fusionsreaktion V Wasserstoffbombe. Hohe Temperatur, notwendig für die Kernfusion, wird hier durch die Explosion einer konventionellen Uran- oder Plutoniumbombe erreicht.

Thermonukleare Reaktionen spielen eine äußerst wichtige Rolle in der Entwicklung des Universums. Die Strahlungsenergie der Sonne und der Sterne ist thermonuklearen Ursprungs.

Radioaktivität

Fast 90 % der bekannten 2500 Atomkerne sind instabil. Ein instabiler Kern wandelt sich spontan in andere Kerne um und emittiert dabei Teilchen. Diese Eigenschaft von Kernen heißt Radioaktivität. In großen Kernen entsteht Instabilität aufgrund der Konkurrenz zwischen der Anziehung von Nukleonen durch Kernkräfte und der Coulomb-Abstoßung von Protonen. Es gibt keine stabilen Kerne mit einer Ladungszahl Z > 83 und einer Massenzahl A > 209. Aber auch Atomkerne mit deutlich niedrigeren Werten der Z- und A-Zahlen können radioaktiv sein, wenn der Kern deutlich mehr Protonen als Neutronen enthält. dann wird die Instabilität durch einen Überschuss an Coulomb-Wechselwirkungsenergie verursacht. Kerne, die einen großen Überschuss an Neutronen gegenüber Protonen enthalten würden, erweisen sich als instabil, da die Masse des Neutrons die Masse des Protons übersteigt. Eine Zunahme der Masse des Kerns führt zu einer Zunahme seiner Energie.

Das Phänomen der Radioaktivität wurde 1896 vom französischen Physiker A. Becquerel entdeckt, der entdeckte, dass Uransalze unbekannte Strahlung aussenden, die lichtundurchlässige Barrieren durchdringen und eine Schwärzung der fotografischen Emulsion verursachen kann. Zwei Jahre später entdeckten die französischen Physiker M. und P. Curie die Radioaktivität von Thorium und entdeckten zwei neue radioaktive Elemente – Polonium und Radium

In den folgenden Jahren untersuchten viele Physiker, darunter E. Rutherford und seine Studenten, die Natur radioaktiver Strahlung. Es wurde festgestellt, dass radioaktive Kerne drei Arten von Partikeln emittieren können: positiv und negativ geladene und neutrale. Diese drei Strahlungsarten wurden α-, β- und γ-Strahlung genannt. In Abb. Abbildung 9.7.1 zeigt ein Diagramm eines Experiments, das es ermöglicht, die komplexe Zusammensetzung radioaktiver Strahlung zu erfassen. In einem Magnetfeld werden α- und β-Strahlen in entgegengesetzte Richtungen abgelenkt, β-Strahlen werden viel stärker abgelenkt. γ-Strahlen werden in einem Magnetfeld überhaupt nicht abgelenkt.

Diese drei Arten radioaktiver Strahlung unterscheiden sich stark voneinander in ihrer Fähigkeit, Materieatome zu ionisieren und damit in ihrer Durchdringungsfähigkeit. α-Strahlung hat die geringste Durchdringungskraft. Unter normalen Bedingungen legen α-Strahlen in der Luft eine Strecke von mehreren Zentimetern zurück. β-Strahlen werden von Materie viel weniger absorbiert. Sie können eine mehrere Millimeter dicke Aluminiumschicht durchdringen. γ-Strahlen haben die größte Durchdringungskraft und können eine 5–10 cm dicke Bleischicht durchdringen.

Im zweiten Jahrzehnt des 20. Jahrhunderts, nach der Entdeckung der Kernstruktur von Atomen durch E. Rutherford, wurde eindeutig festgestellt, dass es sich um Radioaktivität handelt Eigenschaft von Atomkernen. Untersuchungen haben gezeigt, dass α-Strahlen einen Fluss von α-Teilchen – Heliumkernen – darstellen, β-Strahlen einen Elektronenfluss darstellen und γ-Strahlen kurze Wellenlängen darstellen elektromagnetische Strahlung mit extrem kurzer Wellenlänge λ< 10 –10 м и вследствие этого – ярко выраженными корпускулярными свойствами, то есть является потоком частиц – γ-квантов.

Alpha-Zerfall. Unter Alphazerfall versteht man die spontane Umwandlung eines Atomkerns mit der Anzahl Protonen Z und Neutronen N in einen anderen (Tochter-)Kern mit der Anzahl Protonen Z – 2 und Neutronen N – 2. Dabei wird ein α-Teilchen emittiert – das Kern eines Heliumatoms. Ein Beispiel für einen solchen Prozess ist der α-Zerfall von Radium:

Von den Kernen von Radiumatomen emittierte Alphateilchen wurden von Rutherford in Experimenten zur Streuung an den Kernen schwerer Elemente verwendet. Die Geschwindigkeit der beim α-Zerfall von Radiumkernen emittierten α-Teilchen, gemessen an der Krümmung der Flugbahn in einem Magnetfeld, beträgt etwa 1,5 · 10 7 m/s, und die entsprechende kinetische Energie beträgt etwa 7,5 · 10 –13 J ( ca. 4,8 MeV). Dieser Wert lässt sich leicht aus den bekannten Werten der Massen der Mutter- und Tochterkerne sowie des Heliumkerns ermitteln. Obwohl die Geschwindigkeit des austretenden α-Teilchens enorm ist, beträgt sie immer noch nur 5 % der Lichtgeschwindigkeit, sodass Sie bei der Berechnung einen nichtrelativistischen Ausdruck für die kinetische Energie verwenden können.

Untersuchungen haben gezeigt, dass eine radioaktive Substanz Alphateilchen mit mehreren diskreten Energien aussenden kann. Dies erklärt sich aus der Tatsache, dass sich Kerne wie Atome in unterschiedlichen angeregten Zuständen befinden können. Der Tochterkern kann während des α-Zerfalls in einen dieser angeregten Zustände gelangen. Beim anschließenden Übergang dieses Kerns in den Grundzustand wird ein γ-Quantum emittiert. Ein Diagramm des α-Zerfalls von Radium mit der Emission von α-Teilchen mit zwei Werten kinetischer Energie ist in Abb. dargestellt. 9.7.2.

Daher geht der α-Zerfall von Kernen in vielen Fällen mit γ-Strahlung einher.

In der Theorie des α-Zerfalls geht man davon aus, dass sich im Inneren von Kernen Gruppen bestehend aus zwei Protonen und zwei Neutronen, also einem α-Teilchen, bilden können. Der Mutterkern ist für α-Teilchen potenzielles Loch, was begrenzt ist potenzielle Barriere. Die Energie des α-Teilchens im Kern reicht nicht aus, um diese Barriere zu überwinden (Abb. 9.7.3). Der Abgang eines Alphateilchens vom Kern ist nur aufgrund eines quantenmechanischen Phänomens namens möglich Tunneleffekt. Gemäß der Quantenmechanik besteht eine Wahrscheinlichkeit ungleich Null, dass ein Teilchen unter einer Potentialbarriere hindurchgeht. Das Phänomen des Tunnelns ist probabilistischer Natur.

Beta-Zerfall. Beim Betazerfall wird ein Elektron aus dem Kern herausgeschleudert. Elektronen können nicht im Kern existieren (siehe § 9.5); sie entstehen beim Betazerfall durch die Umwandlung eines Neutrons in ein Proton. Dieser Prozess kann nicht nur im Inneren des Kerns, sondern auch mit freien Neutronen ablaufen. Die durchschnittliche Lebensdauer eines freien Neutrons beträgt etwa 15 Minuten. Beim Zerfall wandelt sich ein Neutron in ein Proton und ein Elektron um

Messungen haben gezeigt, dass bei diesem Prozess offenbar eine Verletzung des Energieerhaltungssatzes vorliegt, da die Gesamtenergie von Proton und Elektron, die beim Zerfall eines Neutrons entsteht, geringer ist als die Energie des Neutrons. Im Jahr 1931 schlug W. Pauli vor, dass beim Zerfall eines Neutrons ein weiteres Teilchen ohne Masse und Ladung freigesetzt wird, das einen Teil der Energie abträgt. Das neue Teilchen wird benannt Neutrino(kleines Neutron). Aufgrund der fehlenden Ladung und Masse eines Neutrinos wechselwirkt dieses Teilchen nur sehr schwach mit den Atomen der Materie und ist daher im Experiment äußerst schwer nachzuweisen. Die Ionisierungsfähigkeit von Neutrinos ist so gering, dass ein Ionisierungsereignis in der Luft etwa 500 km zurückliegt. Dieses Teilchen wurde erst 1953 entdeckt. Mittlerweile ist bekannt, dass es mehrere Arten von Neutrinos gibt. Beim Zerfall eines Neutrons entsteht ein Teilchen, das man nennt Elektron-Antineutrino. Es wird mit dem Symbol bezeichnet. Daher wird die Neutronenzerfallsreaktion als geschrieben

Ein ähnlicher Prozess findet im Inneren von Kernen beim β-Zerfall statt. Ein Elektron, das durch den Zerfall eines der Kernneutronen entsteht, wird sofort mit enormer Geschwindigkeit aus dem „Elternhaus“ (Kern) herausgeschleudert, die nur um Bruchteile eines Prozents von der Lichtgeschwindigkeit abweichen kann. Da die Verteilung der beim β-Zerfall freigesetzten Energie zwischen Elektron, Neutrino und Tochterkern zufällig ist, können β-Elektronen in einem weiten Bereich unterschiedliche Geschwindigkeiten haben.

Beim β-Zerfall erhöht sich die Ladungszahl Z um eins, die Massenzahl A bleibt jedoch unverändert. Es stellt sich heraus, dass der Tochterkern der Kern eines der Isotope des Elements ist. Seriennummer die im Periodensystem um eins höher ist als die Ordnungszahl des ursprünglichen Kerns. Ein typisches Beispiel für den β-Zerfall ist die Umwandlung des Thoriumisotons, das beim α-Zerfall von Uran in Palladium entsteht

Gamma-Zerfall. Im Gegensatz zur α- und β-Radioaktivität ist die γ-Radioaktivität von Kernen nicht mit einer Veränderung verbunden innere Struktur Kern und geht nicht mit einer Änderung der Ladungs- oder Massenzahlen einher. Sowohl beim α- als auch beim β-Zerfall kann sich der Tochterkern in einem angeregten Zustand befinden und einen Energieüberschuss aufweisen. Der Übergang eines Kerns von einem angeregten Zustand in einen Grundzustand geht mit der Emission eines oder mehrerer γ-Quanten einher, deren Energie mehrere MeV erreichen kann.

Gesetz des radioaktiven Zerfalls. Jede Probe einer radioaktiven Substanz enthält eine große Anzahl radioaktiver Atome. Da der radioaktive Zerfall zufällig ist und nicht davon abhängt äußere Bedingungen, dann kann das Gesetz der Abnahme der Anzahl N(t) der Kerne, die zu einem bestimmten Zeitpunkt t nicht zerfallen sind, als wichtiges statistisches Merkmal des radioaktiven Zerfallsprozesses dienen.

Die Anzahl der nicht zerfallenen Kerne N(t) soll sich über einen kurzen Zeitraum Δt um ΔN ändern< 0. Так как вероятность распада каждого ядра неизменна во времени, что число распадов будет пропорционально количеству ядер N(t) и промежутку времени Δt:

Der Proportionalitätskoeffizient λ ist die Wahrscheinlichkeit des Kernzerfalls in der Zeit Δt = 1 s. Diese Formel bedeutet, dass die Änderungsrate der Funktion N(t) direkt proportional zur Funktion selbst ist.

wobei N 0 die anfängliche Anzahl radioaktiver Kerne zum Zeitpunkt t = 0 ist. Während der Zeit τ = 1 / λ nimmt die Anzahl der nicht zerfallenen Kerne um das e ≈ 2,7-fache ab. Die Größe τ heißt durchschnittliche Lebensdauer radioaktiver Kern.

Für praktischer Nutzen Es ist zweckmäßig, das Gesetz des radioaktiven Zerfalls in einer anderen Form zu schreiben und dabei die Zahl 2 anstelle von e als Basis zu verwenden:

Die Größe T heißt Halbwertszeit. Während der Zeit T zerfällt die Hälfte der ursprünglichen Anzahl radioaktiver Kerne. Die Größen T und τ hängen durch die Beziehung zusammen

Die Halbwertszeit ist die Hauptgröße, die die Geschwindigkeit des radioaktiven Zerfalls charakterisiert. Je kürzer die Halbwertszeit, desto intensiver ist der Zerfall. Somit beträgt für Uran T ≈ 4,5 Milliarden Jahre und für Radium T ≈ 1600 Jahre. Daher ist die Aktivität von Radium viel höher als die von Uran. Es gibt radioaktive Elemente mit Halbwertszeiten im Bruchteil einer Sekunde.

Kommt in der Natur nicht vor und endet in Wismut. Diese Reihe radioaktiver Zerfälle tritt auf Kernreaktoren.

Interessante Anwendung Radioaktivität ist eine Methode zur Datierung archäologischer und geologischer Funde anhand der Konzentration radioaktiver Isotope. Die am häufigsten verwendete Datierungsmethode ist die Radiokarbondatierung. Durch Kernreaktionen, die durch kosmische Strahlung verursacht werden, entsteht in der Atmosphäre ein instabiles Kohlenstoffisotop. Ein kleiner Prozentsatz dieses Isotops befindet sich zusammen mit dem regulären stabilen Isotop in der Luft. Pflanzen und andere Organismen nehmen Kohlenstoff aus der Luft auf und reichern beide Isotope im gleichen Verhältnis wie in der Luft an. Nach dem Absterben der Pflanzen hören sie auf, Kohlenstoff zu verbrauchen, und das instabile Isotop wandelt sich durch den β-Zerfall mit einer Halbwertszeit von 5730 Jahren allmählich in Stickstoff um. Durch genaue Messung der relativen Konzentration von radioaktivem Kohlenstoff in den Überresten antiker Organismen kann der Zeitpunkt ihres Todes bestimmt werden.

Radioaktive Strahlung aller Art (Alpha, Beta, Gamma, Neutronen) sowie elektromagnetische Strahlung ( Röntgenstrahlung) haben eine sehr starke biologische Wirkung auf lebende Organismen, die in den Prozessen der Anregung und Ionisierung von Atomen und Molekülen besteht, aus denen lebende Zellen bestehen. Unter dem Einfluss ionisierender Strahlung werden komplexe Moleküle und Zellstrukturen zerstört, was zu Strahlenschäden im Körper führt. Daher ist es bei der Arbeit mit Strahlungsquellen aller Art erforderlich, alle Maßnahmen zum Schutz der Personen zu ergreifen, die möglicherweise Strahlung ausgesetzt sind.

Allerdings kann eine Person zu Hause ionisierender Strahlung ausgesetzt sein. Das inerte, farblose, radioaktive Gas Radon kann eine ernsthafte Gefahr für die menschliche Gesundheit darstellen, wie aus dem Diagramm in Abb. hervorgeht. 9.7.5, Radon ist ein Produkt des α-Zerfalls von Radium und hat eine Halbwertszeit T = 3,82 Tage. Radium kommt in geringen Mengen in Erde, Steinen und verschiedenen Gebäudestrukturen vor. Trotz der relativ wenig Zeit Im Leben wird die Radonkonzentration durch erneute Zerfälle von Radiumkernen ständig wieder aufgefüllt, so dass sich Radon in geschlossenen Räumen ansammeln kann. In der Lunge gibt Radon α-Partikel ab und wandelt sich in Polonium um, das keine chemisch inerte Substanz ist. Was folgt, ist eine Kette radioaktiver Umwandlungen der Uranreihe (Abb. 9.7.5). Nach Angaben der American Radiation Safety and Control Commission erhält der Durchschnittsmensch 55 % seiner ionisierenden Strahlung durch Radon und nur 11 % durch medizinische Versorgung. Der Anteil der kosmischen Strahlung beträgt etwa 8 %. Die gesamte Strahlendosis, die ein Mensch im Laufe seines Lebens erhält, ist um ein Vielfaches geringer maximal zulässige Dosis(SDA), die für Personen in bestimmten Berufen eingerichtet wird, die einer zusätzlichen Belastung durch ionisierende Strahlung ausgesetzt sind.