Најважније из лекције
Нуклеарна фисија: Цепање тешког језгра на лакше фрагменте уз емисију 2–3 неутрона, зрачења и велике количине енергије. Може бити спонтана (плутонијум \( ^{240}_{94}\text{Pu} \)) или индукована бомбардовањем неутронима.
Историјски допринос: Павле Савић и Ирена Жолио-Кири су 1938. доказали цепање језгра уранијума, што су 1939. потврдили Ото Хан и Фриц Штрасман.
Ланчана реакција: Ослобођени неутрони доводе до фисије суседних језгара.
Примена:
Историјски допринос: Павле Савић и Ирена Жолио-Кири су 1938. доказали цепање језгра уранијума, што су 1939. потврдили Ото Хан и Фриц Штрасман.
Ланчана реакција: Ослобођени неутрони доводе до фисије суседних језгара.
Примена:
- Неконтролисана (брзо ослобађање огромне енергије) – нуклеарна бомба.
- Контролисана (регулисано ослобађање топлоте) – нуклеарни реактори (\(1\text{ g } ^{235}_{92}\text{U} \approx 5\text{ t}\) угља).
Нуклеарна фисија је процес цепања тешког атомског језгра на два лакша језгра (фисиона фрагмента), уз ослобађање енергије, два до три неутрона и радиоактивног зрачења. Језгро се ретко цепа на два једнака дела.
Спонтана фисија – процес који се код неких тешких језгара дешава спонтано као облик радиоактивног распада (на пример, код изотопа плутонијума \( ^{240}_{94}\text{Pu} \)).
Индукована фисија – процес цепања изазван „бомбардовањем” језгра неутронима. Када неутрон уђе у језгро, образује се нестабилно сложено језгро које се затим распада на фисионе фрагменте.
Питање: Које честице и зрачења настају као производи нуклеарне фисије тешког језгра?
При нуклеарној фисији настају:
- два лакша језгра (фисиони фрагменти),
- два до три нова неутрона,
- радиоактивно зрачење и велика количина фисионе енергије.
Павле Савић и Ирена Жолио-Кири су 1938. године у Паризу објавили рад у коме су показали да се бомбардовањем уранијума неутронима добијају знатно лакши елементи, што је био први доказ цепања атома уранијума.
Немачки научници Ото Хан и Фриц Штрасман су 1939. године потврдили да је реч о нуклеарној фисији. Ото Хан је 1944. године за ово откриће добио Нобелову награду за хемију.
Питање: Који је био кључни закључак рада Павла Савића и Ирене Жолио-Кири из 1938. године?
Кључни закључак био је да бомбардовањем уранијума неутронима настају много лакши хемијски елементи, што се једино могло објаснити цепањем (фисијом) језгра уранијума.
Ланчана реакција је процес у коме неутрони емитовани током фисије једног језгра погађају друга суседна језгра и изазивају њихово цепање, чиме се број фисија и емитованих неутрона лавински увећава.
Процес фисије ослобађа огромну количину енергије: фисијом свих језгара у само \(1\text{ g}\) уранијума \( ^{235}_{92}\text{U} \) ослобађа се енергија једнака енергији која настаје сагоревањем око \(5\text{ t}\) угља.
Питање: Зашто је присуство новонасталих неутрона кључно за одвијање ланчане реакције?
Новонастали неутрони служе као „пројектили” који погађају околна цепљива језгра. Без њихове емисије, процес цепања не би могао самостално да се настави и прошири на остала језгра.
Неконтролисана ланчана реакција: Одвија се изузетно брзо, при чему се целокупна енергија ослобађа за свега неколико милионитих делова секунде. Овај тип реакције доводи до експлозије и примењује се код атомских (фисионих) бомби.
Контролисана ланчана реакција: Брзина реакције и број слободних неутрона се непрекидно контролишу, чиме се енергија ослобађа постепено и безбедно. Овај процес се користи у нуклеарним реакторима за производњу топлотне и електричне енергије.
Питање: Где се у пракси примењује контролисана, а где неконтролисана нуклеарна ланчана реакција?
- Контролисана реакција: у нуклеарним електранама (реакторима) за производњу енергије.
- Неконтролисана реакција: у нуклеарном оружју (атомским фисионим бомбама).
Задаци за вежбање
Задатак 1 (лак): Наведи основну разлику између спонтане и индуковане фисије атомског језгра.
Одговор: Спонтана фисија се одвија сама од себе као вид природног радиоактивног распада тешког језгра, док се индукована фисија изазива вештачки, поготком неутрона у језгро („бомбардовањем”).
Задатак 2 (средњи): Колика маса угља треба да сагори да би се ослободила иста количина енергије као при потпуној фисији свих језгара у \(4\text{ g}\) изотопа уранијума \( ^{235}_{92}\text{U} \)?
Поступак:
Фисијом \(1\text{ g}\) уранијума \( ^{235}_{92}\text{U} \) добија се енергија еквивалентна сагоревању \(5\text{ t}\) угља. \[ m_{\text{угља}} = 4 \cdot 5\text{ t} = 20\text{ t} \] Одговор: Потребно је сагорети \(20\text{ t}\) угља.
Фисијом \(1\text{ g}\) уранијума \( ^{235}_{92}\text{U} \) добија се енергија еквивалентна сагоревању \(5\text{ t}\) угља. \[ m_{\text{угља}} = 4 \cdot 5\text{ t} = 20\text{ t} \] Одговор: Потребно је сагорети \(20\text{ t}\) угља.
Задатак 3 (тежак): Претпоставимо да при свакој појединачној фисији језгра настану тачно \(3\) нова неутрона и да сваки од њих изазове фисију новог језгра. Колико ће се укупно нових фисија десити у четвртој генерацији, ако је процес започео фисијом једног језгра?
Поступак:
- Почетна фисија: \(1\) језгро (емитује \(3\) неутрона)
- 1. генерација: \(3^1 = 3\) фисије
- 2. генерација: \(3^2 = 9\) фисија
- 3. генерација: \(3^3 = 27\) фисија
- 4. генерација: \(3^4 = 81\) фисија
