ЦЕПНЫЕ РЕАКЦИИ, раздел «Физик»

Материал из Юнциклопедии
Перейти к: навигация, поиск

Понятие о цепных реакциях зародилось в химии. В 1913 г. немецкий ученый М. Боденштейн изучал фотохимические реакции. Он обнаружил, что в смеси водорода и хлора всего лишь один поглощенный световой квант вызывает образование до 106 молекул НСl, и назвал подобные реакции цепными. Их стали изучать многие химики в разных странах. Теорию цепных реакций разработали в конце 20-х — начале 30-х гг. советский физико-химик Н. Н. Семенов и английский ученый С. Хиншелвуд, удостоенные за это Нобелевской премии.

Рассмотрим механизм цепных реакций на примере образования молекул хлористого водорода. Квант света расщепляет молекулу хлора на атомы (Cl2 →hv→ Cl + Сl), которые обладают гораздо большей химической активностью, чем молекулы. Атомы хлора, в свою очередь, взаимодействуют с молекулами водорода с образованием молекулы НСl и атомарного водорода (Сl + Н2 → НСl + Н). Последний возбуждает другую молекулу хлора (Н + Сl2 → НСl + Сl). Новый активный атом хлора начинает новое звено цепной реакции. Она будет продолжаться до тех пор, пока цепь по тем или иным причинам не оборвется.

Представление о ядерных цепных реакциях, вообще говоря, появилось раньше, чем было открыто явление деления урана под действием медленных нейтронов. В 1934 г. американский физик Л. Сцилард высказал идею, что ядерная реакция 94Be (n, 2n) 48Ве → 224Не будет носить цепной характер, поскольку на один бомбардирующий нейтрон приходится два высвобождающихся нейтрона, каждый из которых может положить начало двум новым аналогичным ядерным реакциям, сопровождающимся выделением большой энергии. Однако практическое осуществление этого процесса оказалось нереальным.

После открытия деления урана французский ученый Ф. Жолио-Кюри установил, что при каждом акте деления вылетают 2—3 быстрых нейтрона. Любой из них способен вызвать деление новых ядер, в результате чего освобождаются новые свободные нейтроны. Процесс принимает цепной характер и мгновенно распространяется по всей массе материала, способного к делению. Происходит атомный взрыв (см. Деление атомных ядер). Главное условие взрыва состоит в том, чтобы делящееся вещество имело определенную критическую массу, сконцентрированную в небольшой области пространства. Иначе цепная реакция затухает, так как большая часть нейтронов из-за значительных расстояний между ядрами не попадает в цель и покидает зону деления. Для чистого изотопа урана-235 критическая масса равна примерно 1 кг и занимает объем около 45 см3. Она уменьшается для более тяжелых делящихся ядер (плутония, калифорния и т. д.). Если масса меньше критической, цепная реакция невозможна.

Управляемые цепные ядерные реакции осуществляются в ядерных реакторах. В них используются не чистые изотопы, а их смеси, например природный уран, обогащенный (до 5%) изотопом урана-235, и с помощью специальных поглотителей нейтронов число делений в единице объема в единицу времени поддерживается на заданном уровне, не приводящем к перегреву и разрушению реактора.

Теория цепных ядерных реакций была разработана в 1939—1940 гг. советскими учеными Ю. Б. Харитоном и Я. Б. Зельдовичем. Интересно отметить, что оба исследователя внесли большой вклад в изучение цепных химических реакций.

В свое время была высказана гипотеза о возможном существовании в далеком прошлом естественных ядерных реакторов. Она подтвердилась в начале 70-х гг., когда на урановом руднике Окло (Габон, Африка) действительно были обнаружены следы действия около 2 млрд. лет назад природного ядерного реактора. Этот вывод основывался на том, что содержание урана-235 в богатых урановых рудах названного рудника оказалось заметно пониженным (0,3 вместо 0,7%). Ученые считают, что подобные естественные урановые реакторы могут в настоящее время работать на значительных глубинах в земной коре.