Бөліну реакциясын талқылау сұрақтарының мысалы
Пендахулуан
Ядролық бөліну - ядролық физикадағы ең қызықты және маңызды құбылыстардың бірі. Бұл реакция ауыр атом ядроларының жеңіл ядроларға бөлінуін қамтиды, бұл өте көп мөлшерде энергия бөлінуіне әкеледі. Бұл механизм ядролық энергия өндіру технологиясының және атом бомбасының негізі болып табылады. Бөліну реакцияларын теориялық және практикалық тұрғыдан түсіну физика студенттері мен ядролық ғылымға қызығушылық танытқан адамдар үшін өте маңызды. Бұл мақалада бұл тұжырымдаманы жақсырақ түсінуге көмектесу үшін бөліну реакцияларының бірнеше мысалдары және олардың талқылаулары қарастырылады.
Бөліну реакцияларының негізгі түсініктері
Бөліну реакциясын ауыр атом ядросының (мысалы, уран-235 немесе плутоний-239) нейтронды жұтып, екі немесе одан да көп жеңіл ядроларға, бірқатар нейтрондарға және көп мөлшерде энергияға бөліну процесі ретінде анықтауға болады. Бөліну реакциясында бөлінетін энергия масса айырмашылығынан туындайды, мұнда аз мөлшерде масса жоғалып, Альберт Эйнштейннің E=mc² заңына сәйкес энергияға айналады.
Ядролық бөліну процесі
Бөліну реакциясы әдетте ауыр атом ядросы адасқан нейтронды жұтқан кезде басталады. Бұл өте тұрақсыз изотопты жасайды, ол соншалықты тұрақсыз, сондықтан ол бірден жеңіл ядроларға бөлініп, бірнеше нейтрон мен айтарлықтай энергия бөледі. Міне, уран-235 бөліну реакциясының мысалы:
\[
{}^{235}_{92}U + {}^1_0n \rightarrow {}^{141}_{56}Ba + {}^{92}_{36}Kr + 3{}^1_0n + \text{energy}
\]
Бөліну реакциясы сұрақтарының мысалы
Төменде ядролық физика сабақтарында жиі кездесетін бөліну реакцияларына қатысты сұрақтардың бірнеше мысалдары және олардың шешімдері келтірілген.
1-мысал сұрақ
Сұрақ: Уран-235 ядросы нейтронды ұстап алып, бөлінуден өтіп, барий-141, криптон-92, үш нейтрон және энергия түзеді. Бөлшектердің массаларын ескере отырып, осы реакцияда бөлінетін энергияны келесідей есептеңіз:
– Масса ${}^{235}_{92}U = 235.0439299 \ \text{u}$
– Нейтрон массасы $^1_0n = 1.0086649 \ \text{u}$
– Масса ${}^{141}_{56}Ba = 140.9144060 \ \text{u}$
– Масса ${}^{92}_{36}Kr = 91.9261730 \ \text{u}$
_Ескерту: 1 u = 931.5 МэВ/с²._
Талқылау:
1. Реакцияға дейінгі массалық мөлшері:
– Реакцияға дейінгі масса уран-235 және бір нейтронның массасына тең:
\[
M_{\text{before}} = 235.0439299 \, \text{u} + 1.0086649 \, \text{u} = 236.0525948 \, \text{u}
\]
2. Реакциядан кейінгі жалпы масса:
– Реакциядан кейінгі масса барийдің, криптонның және үш нейтронның массасына тең:
\[
M_{\text{after}} = 140.9144060 \, \text{u} + 91.9261730 \, \text{u} + 3 \есе 1.0086649 \, \text{u} = 235.8476727 \, \text{u}
\]
3. Массаның өзгеруі:
– Массаның өзгеруі немесе массаның жоғалуы – реакцияға дейінгі және кейінгі массаның айырмашылығы:
\[
\Delta m = M_{\text{before}} – M_{\text{after}} = 236.0525948 \, \text{u} – 235.8476727 \, \text{u} = 0.2049221 \, \text{u}
\]
4. Бөлінген энергия:
– Эйнштейннің \(E=mc^2\) теңдеуіне сәйкес бөлінетін энергияны массаның өзгеруінен есептеуге болады:
\[
E = \Delta m \times 931.5 \, \text{MeV/u} = 0.2049221 \, \text{u} \times 931.5 \, \text{MeV/u} \шамамен 190.804 \, \text{MeV}
\]
Уран-235 ыдырау реакциясында бөлінетін энергия шамамен 190 804 МэВ құрайды.
2-мысал сұрақ
Сұрақ: Ядролық реактор әрбір бөліну реакциясында орта есеппен 200 МэВ энергия бөледі. Егер реактор 1 ГВт қуат өндірсе (1 гигаватт = $10^9$ Вт), секундына қанша бөліну реакциясы жүреді?
Талқылау:
1. Реакция кезінде бөлінетін энергия:
– Әрбір реакция 200 МэВ энергия шығарады, бұл мынаған тең:
\[
1 \, \text{MeV} = 1.60218 \times 10^{-13} \, \text{J}, \quad \text{so, } 200 \, \text{MeV} = 200 \times 1.60218 \times 10^{-13} \, \text{J} = 3.20436 \times 10^{-11} \, \text{J}
\]
2. Реактордың қуаты:
– Өндірілген қуат 1 ГВт немесе $10^9$ Вт құрайды, бұл $10^9$ Дж/с-қа тең.
3. Реакциялар санын есептеу:
– Секундтағы реакциялар санын жалпы қуатты әрбір реакция энергиясына бөлу арқылы есептеуге болады:
\[
\text{Секундтағы реакциялар саны} = \frac{10^9 \, \text{Дж/с}}{3.20436 \times 10^{-11} \, \text{Дж/реакция}} = 3.12 \times 10^{19} \, \text{реакциялар/секунд}
\]
Сондықтан, 1 ГВт қуат алу үшін әр секунд сайын шамамен \(3.12 \10^{19}\) бөліну реакциялары жүреді.
Жабу
Түсіну және есептеу арқылы бөліну реакциялары физиканы оқуда маңызды элемент болып қана қоймай, сонымен қатар нақты өмірде де маңызды қолданыстарға ие. Ядролық энергия технологиясы бөліну реакцияларына негізделген және бұл технологиядағы әрбір жетістік айтарлықтай пайда мен тәуекел әкелуі мүмкін. Негізгі ұғымдарды және оларды жоғарыда аталған мәселелер арқылы қолдануды түсіну арқылы біз бөліну реакцияларының күнделікті өмірге әсерін және одан әрі зерттеуге болатын әлеуетті жақсырақ түсіне аламыз.
