Введение

Моя курсовая работа посвящена теме «Потешная флотилия Петра Первого». В ней рассматривается история «потешной флотилии» Петра Великого на Плещеевом озере, история создания музея-усадьбы Ботик, рассказывается об экспозициях, выставках и программах музея, а также предлагаются новые проекты, связанные с темой «Потешная флотилия Петра», и которые пока не осуществлены.

Я выбрала данную тему, потому что Переславль-Залесский входит в Золотое кольцо России и является крупным туристским центром. И как будущего работника туриндустрии, и как человека, родившегося в этом городе, мне стало интересно развитие туризма в данном регионе.

В Переславле очень много достопримечательностей: 5 монастырей, Озеро Плещеево, музей-ботик «Ботик Петра I», Переславский музей-заповедник, «Музей утюга», «Музей чайника», «Дом берендея», дендрологический сад им. С.Ф. Харитонова, многочисленные церкви, самая известная из которых Спасо-Преображенский собор XII века. Здесь родились Александр Невский, великий русский полководец, М.И.Кошкин, конструктор Т-34, жил и работал Михаил Пришвин, и многие другие. Все это богатство можно и нужно показывать туристам.

Поэтому развитие туризма в этом регионе очень важно.

Также меня заинтересовал именно тот факт, что Переславль является колыбелью российского морского флота.

«Потешной флотилии» посвящены многие научные работы и труды. Известный краевед, Михаил Смирнов написал целую книгу о Переславле-Залесском, и одну из глав он назвал «Начальная база Русского флота». О музее-усадьбе «Ботик Петра I» можно найти информацию в путеводителе «Переславль-Залесский», который был составлен Пуришевым, а также на сайте самого музея, который называется «Филиал Переславского музея-заповедника «Ботик Петра I». О потешной флотилии можно узнать в путеводителе «По Переславлю-Залесскому и его окрестностям», составленным К. Ивановым.

Целью данной работы является изучение темы «Потешная флотилия Петра I» в туриндустрии Переславля-Залесского и разработка идей новых проектов, связанных с этой темой. Для этого необходимо тщательно изучить историю строительства потешной флотилии, историю музея-усадьбы «Потешная флотилия Петра I», экскурсии, выставки, праздники, связанный с данной темой, и после этого приступить к разработке новых предложений.

глава. История строительства флота Петра Первого на Плещееве озере

Начало строительства кораблей на Плещеевом озере

«...Петр, как исторический государственный деятель, сохранил для нас в своей личности такую высоконравственную черту, которая невольно привлекает к нему сердце. Эта черта - преданность той идеи, которой он всецело посвятил свою душу в течение своей жизни». Костамаров, Н.Н. Русская история в жизнеописаниях ее главнейших деятелей/ Н.Н. Костамаров. М.,2010.С32.

Переславль-Залесский - древний русский город, один из туристических центров Золотого Кольца России. Находится в ста сорока километрах на северо-восток от Москвы, на федеральной автодороге Москва-Холмогоры.

Переславль и его окрестности славятся своей историей, архитектурными памятниками и необыкновенно красивой природой. Часть окружающих его природных и исторических ландшафтов включена в состав национального парка "Плещеево озеро" (см. приложение А).

Озеро Плещеево считается вторым по величине озером Ярославского Поволжья после ростовского озера Неро. Площадь его поверхности достигает 50 квадратных километров, длина - 9,5 километров, ширина - 4,5 километра, наибольшая глубина - 25 метров. Озеро необыкновенно живописно благодаря своим холмистым берегам. В нем водится знаменитая "царская селедка" - ряпушка, местный подвид лососевых рыб, обитающий только в его водах. В Московской Руси XIV-XVII веков ряпушка была ритуальной рыбой. Копченой "переславской селедкой" завершался коронационный пир наследника московского великокняжеского, а затем и царского престола. Ныне герб города украшают две ряпушки, плывущие навстречу друг другу.

Сам город Переславль-Залесский стоит на восточном берегу Плещеева озера. Он был основан в 1152 году князем Юрием Долгоруким, одним из младших сыновей Владимира Мономаха и вначале назывался Переяславлем Новым. Впоследствии буква "я" выпала из названия, и с XV века город стал называться Переславлем. В XIII веке Переславль был столицей удельного княжества Владимиро-Суздальской земли. Около 1220 года здесь родился выдающийся политический деятель и полководец князь Александр Ярославович Невский. История города связана с именами великих князей и царей - Ивана III и его сына Василия III, Ивана Грозного и Бориса Годунова. В конце XVII века на берегах Плещеева озера под руководством юного царя Петра велось строительство, так называемой, "потешной флотилии", положившей начало российскому военному флоту. Ныне, единственный дошедший до нашего времени, корабль "потешной флотилии" - бот "Фортуна", который хранится в музее-усадьбе "Ботик Петра I", расположенной в 2 километрах от города, возле старинного села Веськово.

В центральной части Переславля-Залесского высятся белокаменный Спасо-Преображенский собор (1152-1157) и земляные валы - остатки древней городской крепости. В центральной России нет более древних сооружений. На земляных валах в XII-XVII вв. находились деревянные крепостные стены и башни - современники основания города. Это - самая большая крепость, из построенных Юрием Долгоруким в середине XII столетия. Протяженность валов составляет 2,5 километра, высота колеблется от 10 до 16 метров, а ширина достигает 6 метров. Валы окружают территорию старого города площадью 28 гектаров.

В городе и его ближайших окрестностях сохранились пять старинных монастырских ансамблей. Самый древний из монастырей - Никитский, был основан в XII веке, Горецкий, Никольский и Федоровский датируются XIV веком, Троицкий Данилов XVI веком. В этих монастырях сохранились памятники архитектуры XVI-XIX веков. Наибольшей известностью пользуются архитектурный ансамбль Никитского монастыря, созданный в середине XVI века по повелению Ивана Грозного, и Троицкий собор Данилова монастыря, расписанный в XVII веке артелью выдающегося костромского мастера фрески Гурия Никитина. Здания Горецкого монастыря занимают экспозиции историко-архитектурного и художественного музея-заповедника, в четырех других монастырских комплексах расположены обители Русской Православной Церкви: в Никольском и Федоровском - женские, в Никитском и Даниловом - мужские.

В Переславле в последние годы построены и новые храмы - Никольский собор Свято-Никольского монастыря и Георгиевская часовня.

Современный Переславль-Залесский - город промышленности, науки и туризма, центр Переславского района, занимающего южную часть Ярославской области. Население города - более 45 тысяч человек.

В 1984 году в городе был создан Институт программных систем Российской академии наук , известный своими работами в области параллельного программирования, искусственного интеллекта, информационных систем для медицины, системного анализа, а также разработкой экономически-эффективных технологий для региональных телекоммуникационных систем. Результатом этих разработок было создание системы телекоммуникаций города Переславля-Залесского - СТ "Ботик". Сегодня система является основным средством доступа к городским компьютерным ресурсам и к сети Интернет для большинства предприятий и учреждений города Переславля-Залесского и для сотен горожан. Институт программных систем - инициатор создания на его базе уникального в России научно-образовательного центра, включающего: Университет города Переславля им. А.К. Айламазяна , который является первым в России университетом малого города; Международный детский компьютерный центр им. А.К. Айламазяна и детский сад "Почемучка" .

Наиболее значительным учреждением культуры Переславля является Государственный историко-архитектурный и художественный музей-заповедник . Большой популярностью у гостей города пользуются частные музеи - "Музей утюга", "Музей чайников", "Музей масок" . Гостям города будет интересен и дендрологический сад имени С.Ф. Харитонова, в коллекции которого много экзотических для средней полосы России растений.

Переславль - город с большими художественными традициями. Произведения местных мастеров деревянной резьбы, иконописи, живописи прошлых столетий можно увидеть в залах музея. Здесь же можно познакомиться и с мемориальной экспозицией одного из самых знаменитых переславцев - академика живописи Д.Н. Кардовского, прославившегося своими иллюстрациями к произведениям русской и зарубежной литературной классики. Сейчас в городе живет и работает много современных художников. Написанные ими пейзажи Переславля и окрестностей, натюрморты и декоративные композиции, а также изделия местных народных промыслов можно увидеть и приобрести в частных художественных салонах, галереях, расположенных в старом городе. Город Переславль-Залесский: краткая справка // Botik URL:http://www.botik.ru/2/local-resources/pz-spravka.html

Переславль - один из городов, которые считают себя "родиной российского флота". В принципе, удивляться тут особенно нечему - у такого большого флота должно быть несколько "настоящих" родин: Архангельск, Воронеж, Переславль. В 1688 году молодой и энергичный царь Петр учинил в городе строительство потешных кораблей. Для царских развлечений со всей страны собрали мастеровых людей, которых можно было приспособить к кораблестроению.

Достоверной истории о появлении же первого ботика в России источники не сохранили. Предположительно первый ботик изготовлен в Англии и доставлен в Россию около 40-х годов XVII столетия. Длительное время находился в запущенном состоянии в царских амбарах подмосковного села Измайлово. Здесь и был впервые увиден царем Петром Алексеевичем (Петром I) в амбаре своего двоюродного деда боярина Н.И. Романова. По приказу царя голландский мастер К. Брандт в мае 1688г. отремонтировал ботик; он был спущен в московскую реку Яузу, а затем переведен в Просяной пруд. На ботике Петр I приступил к изучению морского дела, учился ходить под парусом. Именно с этих юношеских прогулок началось серьезное увлечение Петра морским делом, флотскими науками и кораблестроением. Ботик, по его замечанию, стал своеобразным "плодоносным семенем" для Российского флота (см. приложение Б).

Ботик представлял собой дубовое парусно-гребное судно с плавными обводами носовой оконечности, транец был украшен декоративной резьбой, днище обшито медными листами. Водоизмещение 1.28 тонны, длина 6.1 метра, ширина 1.97 метра, высота борта 0.8 метра, осадка 0.3 метра, высота мачты 6.61 метра. Вооружение составляли 4 легкие пушки.

С 1701 г. ботик, получивший наименование "Дедушка Российского флота", хранился в Московском Кремле в специально отведенном месте под навесом. В связи с празднованиями победы над Швецией в Северной войне (1700-1721), бот перевезен в 1723 г. в Санкт-Петербург. Во время начала праздника в Москве (январь 1722) мимо ботика на полозьях по снегу провезли макеты военных кораблей, что символизировало приветствие флотом своего первенца. При прибытии в столицу в мае 1723 г. ботик торжественно встречали у Александро-Невского монастыря, а затем у Петропавловской крепости на Неве салютом в 31 артиллерийский залп. В Петербурге ботик расположили на специальном четырехугольном пьедестале, расписанном живописцем И. Зарудным. По двум граням была сделана надпись: "Детская утеха принесла мужеский триумф". В августе 1723 г. ботик торжественно встречал Балтийский флот; 20 линейных кораблей салютовали ему на рейде Кронштадта. Управляли ботиком в тот триумфальный день составившие его команду Петр I, ближайшие сподвижники царя А.Д. Меншиков, П.И. Сиверс, К.Г. Отто, Н.А. Сенявин, Ф.М. Апраксин, Т. Гордон и Т. Сандерс. 30 августа ботик был окончательно поставлен на пьедестал в Государевом больверке Петропавловской крепости, однако не стал "недвижимой" реликвией. По специальному указу Петра I от 2 сентября 1724 г. предписывалось в каждую очередную годовщину Ништадтского мирного договора между Россией и Швецией "ботик в 30-м числе августа для торжествования выводить повсегодно на воду". На специально подготовленном судне, буксируемом галерой, ботик провозили вверх по Неве до Александро-Невского монастыря и обратно в Петропавловскую крепость. Так случалось в августе 1724 г. при переносе останков Александра Невского в монастырь-лавру, в 1744 и 1745 гг. при церемониальном шествии в честь "Дедушки Российского флота". В 1761 г. на территории крепости близ Петропавловского собора по проекту архитектора А.Ф. Виста построен павильон для ботика - "Ботный домик". В XIX столетии ботик не раз покидал свою памятную стоянку: во время празднования 100-летия Санкт-Петербурга 16 мая 1803 г. он был установлен на шкафуте линейного корабля "Гавриил", стоявшего на Неве у Сената; в 1836 г. ботик провезли по реке на шканцах парохода "Геркулес" под салютование кораблей Балтийского флота. В 1872 г. отреставрированный ботик возили на Всероссийскую политехническую выставку в Москву. С 1928 г. он хранился в Новом Петергофе, а в 1940 г. передан Центральному военно-морскому музею. Ботик Петра I (Дедушка Российского флота)// Национальная историческая энциклопедия URL: http://www.allross.ru/yar/pereslavl/his.htm

Впервые посетив в 1688 году Переславль, юный Петр был очарован красотою и размерами Плещеева озера. Впоследствии он писал в предисловии к “Морскому уставу”: ”А охота стала от часу быть более, того для стал я проведовать, где более воды, мне объявили Переславское озеро, яко наибольшее, куды я под образом обещания в Троицкий монастырь у матери выпросился, а потом уже стал ее просить и явно, чтобы там двор и суды сделать“.

Сохранился народный рассказ крестьянки села Веськово Устиньи Ароновой, видевшей Петра в его приезд в Переславль летом 1688 года.

"Тот, кто ехал впереди, остановился недалеко от меня и стал пристально смотреть на озеро, - рассказывает она. - Долго он смотрел, и я досыта насмотрелась на него. Он был велик ростом и статен в одежде, похожей на охотничью. Из-под шляпы с навесом видны были кудри русых волос. Лицо у него было несколько смугловатое, глаза карие, большие, ус только пробивался. На бедре его висел меч, за поясом торчал охотничий нож, при нем был небольшой огнестрел".. Иванов К, Пуришев И. Переславль-Залесский/ К. Иванов, И. Пуришев. Я., 1986. С.133.

« Ко времени приезда Петра, - свидетельствует М. Поссельт, - английский бот был привезен сухим путем в Переславль, и царь в первый же свой приезд наслаждался эволюциями этого судна на озере под парусом. Затем водный простор навел на него мысль не ограничиваться одним судном, а приступить к приведению в исполнение более обширных планов. Он тотчас же решился завести еще несколько других судов и начать с ними совершенно другие опыты». Смирнов М.И. Переславль-Залесский/М.И. Смирнов. П-З.,1996. С.193.

Местная легенда уверяет, что он поселился в настоятельских комнатах Никитского монастыря, где самая большая комната второго этажа, выходящая на озеро и город, до сих пор носит имя Петровской. Никитский монастырь стоит на берегу озера. Нет ничего невероятного в том, что Петр остановился там, тем более что построенная еще во времена Грозного трапезная палата с настоятельскими комнатами была лучшим зданием Переславля. Петр приехал не один, привез сюда иноземцев, корабельных мастеров, которые жили тут, не меняя образа жизни, принятого в немецкой слободе, смущая монахов.

Но проживание в Никитском монастыре, стоящем на горе довольно далеко от озера, устраивало Петра, пока он увлекался только катанием по озеру, к постройке судов не приступал и по-настоящему не огляделся в Переславле. Ему не столько важны были удобства, сколько близость к озеру, и к устью Трубежа, где причален московский бот и где вскоре началось строительство судов. Петр переехал в здание Горицкого монастыря, а его иностранные мастеря-корабельщики жили на так называемом «птичье дворе» Горицкого монастыря за оградой. Впоследствии поселились в специально построенных домах на горе близ села Веськово, на правом берегу реки Веськовки, отчего она стала назваться с тех пор Мемеки (Немеки), так как иностранцы, очевидно, плохо или совсем не говорили по-русски. Из них главным Карштен Брант, кроме него Корт, позднее Класс или Никлассон.

Подготовка к постройке кораблей началась в июле 1688 года под руководством Карштена Бранта. Но главные работы по сооружению больших судов, делавшихся по типу морских, происходили зимой 1688-1689 годах ускоренными темпами, и ко времени вскрытия озера были готовы яхты и другие корабли, кроме большого корабля. Об этом мы узнаем из следующего письма самого Петра.

« Вселюбезнейшей и паче живота телесного дражайшей моей матушке,- писал он из Переславля 20 апреля 1689 года,- государыне царице и великой княгине Наталье Кирилловне сынишка твой, в работе пребывающей Петрушка, благословением прошу, а о твоем здравии слышать желаю, а у нас молитвами твоими здорово все. А озеро вскрылось сего 20 числа, и суды все, кроме большого корабля в отделке: только за канатами встанет: и о том милости прошу, чтобы те канаты, по семи сот из Пушкарского приказу не мешкав присланы были. А за ними дело станет и житье наше продолжается. По сем паки благословения прошу». Розов, А., Иваненко, Б.В., Смирнов, М.М. Труды Переславля-Залесского Историко-Художественного Музея. Историческая записка о бывшей в Переславле-Залесском флотилии Петра I/ А. Розов, Б.В. Иваненко, М.М. Смирнов. М., 2004. С.13.

Это письмо, как и ряд других писем, посланных Петром с берегов Плещеева озера, единственные документы, освещающие этот момент в истории «потешной флотилии».

В первом же письме имеется указание на то, что Петр не просто увлекался катанием по озеру или терпеливо ждал, когда иностранные сработают ему суда, но и сам «пребывал в работе», первый раз в жизни взялся за топор и начал проходить науку кораблестроения, законченную им в Голландии и Англии. Корабельным потником он стал в Переславле.

На переславской верфи впервые познакомились с кораблестроением, ставшие впоследствии знаменитыми мастерами-корабелами, Гаврила Меншиков и Лукьян Верещагин; местные парусные мастера, или вейль-макеры, Иван Кочет и Фадей Попов; блоковый мастер Тихон Лукин и мачтовый мастер Степан Васильев.

В создании кораблей флотилии принимал участие и дворянский сын, зачисленный в 1691 году сержантом в бомбардирскую роту Преображенского полка,-- Василий Корчмин, в будущем выдающийся артиллерист. Спустя годы, уже на Балтийском флоте, он разработал проекты артиллерийского вооружения многих кораблей и даже предлагал оснащать корабли ракетными установками для стрельбы зажигательными ракетами, ближайший друг Петра А.Д. Меншиков также принимал участие в строительстве “потешной флотилии”. Петр и его юные помощники, называвшие себя на голландский манер “шкипманами”, с увлечением работали над созданием кораблей. Вместо отдыха они часто засиживались над чертежами проектов будущих судов. Спуск новых крупных (по масштабам потешной флотилии”) кораблей нередко проходил в торжественной обстановке, порой даже сопровождался крестным ходом под оружейный салют пушек. А торжественная процессия по распоряжению Петра начиналась из переславского собора. Исправников, А., Зайцев, A. У истоков петровского флота// Бот Фортуна URL: http://hobbyport.ru/ships/fortuna.htm

Несмотря на угрозы, «что житье продолжится» в Переславле по случаю задержки канатов, царица прислала повеление возвратиться в Москву: 27 апреля была годовщина смерти царя Федора Алексеевича, и на панихиду по этикету в Архангельский собор следовало собраться всем чинам царского семейства. На это Петр писал ей: «Недостойный твой сынишка Петрушка, о здравии твоем присно слышите желаю. А что изволила ко мне приказывать, чтобы мне быть в Москве, и я готов; только, гей, гей, дело есть. И то присланный сам видел. Известит яснее: а мы молитвами твоими во всякой целости пребываем. О бытии моем пространнее я ко Льву Кирилловичу писал и он тебе, государыне, донесет. Посем и наипокорственне предаются в волю вашу».

Кроме матери, требовавшей сына через посланца, Петру в Переславль писала его жена Евдокия Федоровна, рожденная Лопухина. Письмо это весьма характерно для суждений о ней и быте того времени. «Государю моему, радости, царю Петру Алексеевичу,- писала она.- Здравствуй, свет мой, на множество лет. Просим милости, пожалуй, государь, буди к нам не замешкав. А я милости матушкиной жива. Женишка твоя Дунка челом бьет». Розов, А., Иваненко, Б.В., Смирнов, М.М. Труды Переславля-Залесского Историко-Художественного Музея. Историческая записка о бывшей в Переславле-Залесском флотилии Петра I/ А. Розов, Б.В. Иваненко, М.М. Смирнов. М., 2004. С.14.

Пришлось прервать работу отправиться в Москву, где ему не сиделось. Неудачная женитьба не только не привязала его к дому, но, наоборот, побуждала стремиться прочь. Отбыв необходимую церемонию, Петр вскоре возвратился в Переславль и писал матери: «недостойный Петрушка, благословления прося, челом бью и заприсылку с дохтуром и с Гаврилою (Головиным), яко ной иногда о масличной суке, радуюсь и паки челом бью. А у нас все молитвами твоими здорово, и суды удались все зело хороши. По сей дай, господь, здравия душе и телу, яко же аз желаю». Очевидно, речь идет о полученных им канатах, за присылку которых он благодарит мать. В приписке к этому письму он сообщает: «А мастер корабельный Корт июне во 2 день умре, до нашего приезда за двадцать за два часа». Смирнов М.И. Переславль-Залесский/М.И. Смирнов. П-З.,1996. С.195.

Петр так увлекся своими судами, которые частью уже были спущены на озеро и бороздили его волны, что, исполняя требование царицы-матери извещать ее как можно чаще, едва находил для этого время. Писал кратко, на клочках, спешкой. Мысль его постоянно витала около сооружаемых им судов. « Гей! О здравии слышать желаю и благословения прошу, а у нас все здорово, и о судах паки подтверждаю, что зело хороши все и о том Тихон Никитич сам известит». Письмо подписано: «недостойный Петр». Двукратное утверждение его о судах, что весьма хороши, говорит больше о его увлеченности, чем о качестве их, хотя наружный вид действительно был хорошо: над отделкой судов трудилась придворные живописцы. Художник Комтоусов Герасим с товарищами, производящие окраску и роскошь судов, напомнили царю об этом несколько лет спустя, так как за это им « жалование не дано было». Смирнов М.И. Переславль-Залесский/М.И. Смирнов. П-З.,1996. С.196.

Роковая борьба с Софьей, достигшая к этому времени высшей точки своего развития, заставила Петра надолго оторваться от переславской потехи, а затем, видимо, забыть ее и прекратить судостроение на Переславском озере, где к этому времени были спущены на воду выстроенные Карштеном Брантом два небольших фрегата и три яхты. Уехав отсюда в июне 1689 года, Петр больше двух лет не был здесь, но не прекращал прогулок по воде близи Москвы, ка это видно из дневника Гордона.

« 27 апреля 1690 года,- пишет он,- царь Петр Алексеевич отправился на яхте в село Коломенское. Генералы и другие офицеры следовали за ним на меленьких судах. Большие суда, на которых находились стрельцы, шли впереди. Выйдя в полдень, они пришли к назначенному месту с закатом солнца (пройдя пространство в 20 верст)» Розов, А., Иваненко, Б.В., Смирнов, М.М. Труды Переславля-Залесского Историко-Художественного Музея. Историческая записка о бывшей в Переславле-Залесском флотилии Петра I/ А. Розов, Б.В. Иваненко, М.М. Смирнов. М., 2004. С.14.

ДЕЛЕНИЕ ЯДЕР УРАНА

Делиться могут только ядра некоторых тяжелых элементов, например, урана.

Ядро урана - 235 имеет форму шара. Поглотив нейтрон, ядро возбуждается и начинает деформироваться.
Оно растягивается из стороны в сторону до тех пор, пока кулоновские силы отталкивания между протонами не начнут преобладать над ядерными силами притяжения. После этого ядро разрывается на две части и осколки разлетаются со скоростью 1/30 скорости света. При делении ядра образуются еще 2 или 3 нейтрона.
Появление нейтронов объясняется тем, что число нейтронов в осколках оказывается больше, чем это допустимо.

Имеющие огромную скорость разлетающиеся осколки тормозятся окружающей средой.
Кинетическая энергия осколков превращается во внутреннюю энергию среды, которая нагревается.
Таким образом, деление ядер урана сопровождается выделением большого количества энергии.

ЦЕПНАЯ ЯДЕРНАЯ РЕАКЦИЯ

Это процесс, в котором одна проведенная реакция вызывает последующие реакции такого же типа.

При делении одного ядра урана образовавшиеся нейтроны могут вызвать деления других ядер урана, при этом число нейтронов нарастает лавинообразно .

Отношение числа образовавшихся нейтронов в одном акте деления к числу таких нейтронов в предыдущем акте деления называется коэффициентом размножения нейтронов k.

При k меньше 1 реакция затухает, т.к. число поглщенных нейтронов больше числа вновь образовавшихся.
При k больше 1 почти мгновенно происходит взрыв.
При k равном 1 идет управляемая стационарная цепная реакция.

Цепная реакция сопровождается выделением большого количества энергии.

Для осуществлении цепной реакции не получается использовать любые ядра, делящиеся под влиянием нейтронов.

Используемый в качестве топлива для атомных реакторов химический элемент уран состоит в природе из двух изотопов: урана-235 и урана - 238.

В природе изотопы урана-235 составляют всего лишь 0,7% от всего запаса урана, однако именно они пригодны для проведения цепной реакции, т.к. делятся под влиянием медленных нейтронов.

Ядра урана-238 могут делиться лишь под влиянием нейтронов большой энергии (быстрых нейтронов ). Такую энергию имеют только 60% нейтронов, появляющихся при делении ядра урана-238. Примерно только 1 из 5 образовавшихся нейтронов вызывает деление ядра.

Условия протекания цепной реакции в уране-235:

Минимальное количество топлива (критическая масса), необходимое для проведения управляемой цепной реакции в атомном реакторе
- скорость нейтронов должна вызывать деление ядер урана
- отсутствие примесей, поглощающих нейтроны

Критическая масса:

Если масса урана мала, нейтроны будут вылетать за его пределы, не вступая в реакцию
- если масса урана велика, возможен взрыв за счет сильного увеличения числа нейтронов
- если масса соответствует критической, протекает управляемая цепная реакция

Для урана-235 критическая масса составляет 50 кг (это, например, шар из урана диаметром 9 см).

Первая управляемая цепная реакция - США в 1942 г. (Э.Ферми)
В СССР - 1946 г. (И.В.Курчатов).

Вспомни тему "Атомная физика" за 9 класс:

Радиоактивность.
Радиоактивные превращения.
Состав атомного ядра. Ядерные силы.
Энергия связи. Дефект масс.
Деление ядер урана.
Ядерная цепная реакция.
Ядерный реактор.
Термоядерная реакция.

Другие страницы по теме "Атомная физика" за 10-11 класс:

НЕМНОГО ИЗ ИСТОРИИ

В 1930 году в Кембридже Дж. Кокрофт и Э. Уолсон расщепили атом. Руководитель Кавендишской лаборатории лорд Э. Резерфорд публично высказался по поводу этого эксперимента: «Расщепление атома, это всего лишь наиболее элегантный эксперимент и элегантность его в том и состоит, что он не имеет никакого практического применения».
___

Когда во Франции начались работы по созданию атомного оружия и, соответственно, по очистке изотопов урана, внезапно обнаружилось, что уран из окрестностей западноафриканской деревушки Окло вместо 0.71% для урана-235, годного для боеприпасов, содержит только 0.68%. Последовавшее за этим разбирательство привело к открытию уникального, поистине единственного в своем роде объекта – природного ядерного реактора ! При этом при работе этого реактора расходовалась часть урана-235.
___

Недавно человечество отметило 50-летие атомных бомбардировок Хиросимы и Нагасаки. Путь к этим трагическим событиям проходил и под главной трибуной Чикагского стадиона, где 2-го декабря 1942 года была проведена первая цепная ядерная реакция .
___

Из анекдота о том, что такое цепная реакция : «Если кто-то разгуливает неподалеку от сидящей на цепи собаки, она начинает лаять, а следом за ней - и другие собаки».

Начал опыты по облучению урана медленными нейтронами от радий-бериллиевого источника. Целью этих опытов, послуживших толчком к многочисленным аналогичным экспериментам, выполненным в других лабораториях, было обнаружение неизвестных в то время трансурановых элементов, которые предполагалось получить в результате - -распада образующихся при захвате нейтронов изотопов урана. Новые радиоактивные продукты действительно были найдены, однако дальнейшие исследования показали, что радиохимические свойства многих "новых трансурановых элементов" отличались от ожидаемых. Исследование этих необычных продуктов продолжалось вплоть до 1939 г., когда радиохимики Ган и Штрассман доказали, что новые активности принадлежат не тяжелым элементам, а атомам среднего веса. Правильная интерпретация необычного ядерного процесса была дана в том же году Мейтнер и Фришем , предположившими, что возбужденное ядро урана делится на два приблизительно равных по массе осколка. На основании анализа энергий связи элементов периодической таблицы они пришли к выводу, что в каждом акте деления должно освобождаться очень большое количество энергии, в несколько десятков раз превышающее энергию, выделяющуюся при -распаде. Это подтверждалось опытами Фриша, зарегистрировавшего в ионизационной камере импульсы от осколков деления, и Жолио , показавшего на основании измерения пробегов осколков, что последние обладают большой кинетической энергией.

Из рис.1 видно, что наибольшую устойчивость имеют ядра с А = 40-120, т.е. находящиеся в середине периодической таблицы. Энергетически выгодными являются процессы соединения (синтеза) легких ядер и деления тяжелых ядер. В обоих случаях конечные ядра располагаются в той области значений А, где удельная энергия связи больше, чем удельная энергия связи начальных ядер. Поэтому указанные процессы должны идти с выделением энергии. Пользуясь данными по удельным энергиям связи, можно оценить энергию, которая освобождается в одном акте деления. Пусть ядро с массовым числом А 1 = 240 делится на два равных осколка с А 2 = 120. В этом случае удельная энергия связи осколков по сравнению с удельной энергией связи начального ядра увеличивается на 0.8 МэВ (от 1 7.6 МэВ для ядра с А 1 = 240 до 2 8.4 МэВ для ядра с А 2 = 120). При этом должна выделяться энергия

Е = А 1 1 - 2А 2 2 = А 1 ( 2 - 1)240(8.4-7.6) МэВ 200 МэВ.

. Элементарная теория деления

Рассчитаем величину энергии, выделяющейся при делении тяжелого ядра. Подставим в (f.2) выражения для энергий связи ядер (f.1), полагая А 1 =240 и Z 1 = 90. Пренебрегая последним членом в (f.1) вследствие его малости и подставив значения параметров a 2 и a 3 ,получаем

Отсюда получим, что деление энергетически выгодно, когда Z 2 /A > 17. Величина Z 2 /A называется параметром делимости. Энергия Е, освобождающаяся при делении, растет с увеличением Z 2 /A ; Z 2 /A = 17 для ядер в районе иттрия и циркония. Из полученных оценок видно, что деление энергетически выгодно для всех ядер с A > 90. Почему же большинство ядер устойчиво по отношению к самопроизвольному делению? Чтобы ответить на этот вопрос, посмотрим, как меняется форма ядра в процессе деления.

В процессе деления ядро последовательно проходит через следующие стадии (рис.2): шар, эллипсоид, гантель, два грушевидных осколка, два сферических осколка. Как меняется потенциальная энергия ядра на различных стадиях деления? После того как деление произошло, и осколки находятся друг от друга на расстоянии, много большем их радиуса, потенциальную энергию осколков, определяемую кулоновским взаимодействием между ними, можно считать равной нулю.

Рассмотрим начальную стадию деления, когда ядро с увеличением r принимает форму все более вытянутого эллипсоида вращения. На этой стадии деления r - мера отклонения ядра от сферической формы (рис.3). Вследствие эволюции формы ядра изменение его потенциальной энергии определяется изменением суммы поверхностной и кулоновской энергий Е" п + Е" к. Предполагается, что объем ядра в процессе деформации остается неизменным. Поверхностная энергия Е" п при этом возрастает, так как увеличивается площадь поверхности ядра. Кулоновская энергия Е" к уменьшается, так как увеличивается среднее расстояние между нуклонами. Пусть сферическое ядро в результате незначительной деформации, характеризующейся малым параметром, приняло форму аксиально-симметричного эллипсоида. Можно показать, что поверхностная энергия Е" п и кулоновская энергия Е" к в зависимости от меняются следующим образом:

В случае малых эллипсоидальных деформаций рост поверхностной энергии происходит быстрее, чем уменьшение кулоновской энергии.
В области тяжелых ядер 2Е п > Е к сумма поверхностной и кулоновской энергий увеличивается с увеличением . Из (f.4) и (f.5) следует, что при малых эллипсоидальных деформациях рост поверхностной энергии препятствует дальнейшему изменению формы ядра, а, следовательно, и делению. Выражение (f.5) справедливо для малых значений (малых деформаций). Если деформация настолько велика, что ядро принимает форму гантели, то силы поверхностного натяжения, как и кулоновские силы, стремятся разделить ядро и придать осколкам шарообразную форму. На этой стадии деления увеличение деформации сопровождается уменьшением как кулоновской, так и поверхностной энергии. Т.е. при постепенном увеличении деформации ядра его потенциальная энергия проходит через максимум. Теперь r имеет смысл расстояния между центрами будущих осколков. При удалении осколков друг от друга потенциальная энергия их взаимодействия будет уменьшаться, так как уменьшается энергия кулоновского отталкивания Е к. Зависимость потенциальной энергии от расстояния между осколками показана на рис. 4. Нулевой уровень потенциальной энергии соответствует сумме поверхностной и кулоновской энергий двух невзаимодействующих осколков.
Наличие потенциального барьера препятствует мгновенному самопроизвольному делению ядер. Для того чтобы ядро мгновенно разделилось, ему необходимо сообщить энергию Q, превышающую высоту барьера Н. Максимум потенциальной энергии делящегося ядра примерно равен
е 2 Z 1 Z 2 /(R 1 +R 2), где R 1 и R 2 - радиусы осколков. Например, при делении ядра золота на два одинаковых осколка е 2 Z 1 Z 2 /(R 1 +R 2) = 173 МэВ, а величина энергии Е, освобождающейся при делении (), равна 132 МэВ. Таким образом, при делении ядра золота необходимо преодолеть потенциальный барьер высотой около 40 МэВ.
Высота барьера Н тем больше, чем меньше отношение кулоновской и поверхностной энергии Е к /Е п в начальном ядре. Это отношение, в свою очередь, увеличивается с увеличением параметра делимости Z 2 /А (). Чем тяжелее ядро, тем меньше высота барьера Н, так как параметр делимости увеличивается с ростом массового числа:

Т.е. согласно капельной модели в природе должны отсутствовать ядра с Z 2 /А > 49, так как они практически мгновенно (за характерное ядерное время порядка 10 -22 с) самопроизвольно делятся. Возможность существования атомных ядер с Z 2 /А > 49 ("остров стабильности") объясняется оболочечной структурой. Зависимость формы, высоты потенциального барьера H и энергии деления E от величины параметра делимости Z 2 /А показана на рис. 5.

Как этот процесс был открыт и описан. Раскрывается его применение в качестве источника энергии и ядерного оружия.

«Неделимый» атом

Двадцать первый век изобилует такими выражениями, как «энергия атома», «ядерные технологии», «радиоактивные отходы». То и дело в газетных заголовках мелькают сообщения о возможности радиоактивного загрязнения почвы, океанов, льдов Антарктики. Однако обыкновенный человек часто не очень хорошо себе представляет, что это за область науки и как она помогает в повседневной жизни. Начать стоит, пожалуй, с истории. С самого первого вопроса, который задавал сытый и одетый человек, его интересовало, как устроен мир. Как видит глаз, почему слышит ухо, чем вода отличается от камня - вот что исстари волновало мудрецов. Еще в древней Индии и Греции некоторые пытливые умы предположили, что существует минимальная частица (её еще называли «неделимой»), обладающая свойствами материала. Средневековые химики подтвердили догадку мудрецов, и современное определение атома следующее: атом - это наименьшая частица вещества, которая является носителем его свойств.

Части атома

Однако развитие технологии (в частности, фотографии) привело к тому, что атом перестал считаться наименьшей возможной частицей вещества. И хотя отдельно взятый атом электронейтрален, ученые достаточно быстро поняли: он состоит из двух частей с разными зарядами. Количество положительно заряженных частей компенсирует количество отрицательных, таким образом, атом остается нейтральным. Но однозначной модели атома не существовало. Так как в тот период все еще господствовала классическая физика, то высказывались различные предположения.

Модели атома

Поначалу была предложена модель «булка с изюмом». Положительный заряд как бы заполнял собой все пространство атома, и в нем, как изюм в булке, распределялись отрицательные заряды. Знаменитый определил следующее: в центре атома расположен очень тяжелый элемент с положительным зарядом (ядро), а вокруг располагаются значительно более легкие электроны. Масса ядра в сотни раз тяжелее суммы всех электронов (оно составляет 99,9 процентов от массы всего атома). Таким образом, родилась планетарная модель атома Бора. Однако некоторые из её элементов противоречили принятой на тот момент классической физике. Поэтому была разработана новая, квантовая механика. С ее появлением начался неклассический период науки.

Атом и радиоактивность

Из всего сказанного выше становится понятно, что ядро - это тяжелая, положительно заряженная часть атома, которая составляет его основную массу. Когда и положений электронов на орбите атома были хорошо изучены, пришло время понять природу атомного ядра. На помощь пришла гениальная и неожиданно открытая радиоактивность. Она помогла раскрыть сущность тяжелой центральной части атома, так как источник радиоактивности - деление ядер. На рубеже девятнадцатого и двадцатого столетия, открытия сыпались одно за другим. Теоретическое решение одной задачи вызывало необходимость ставить новые опыты. Результаты экспериментов порождали теории и гипотезы, которые требовалось подтвердить или опровергнуть. Зачастую величайшие открытия появлялись просто потому, что именно таким образом формула становилась удобной для вычислений (как, например, квант Макса Планка). Еще в начале эры фотографии ученые знали: урановые соли засвечивают светочувствительную пленку, но они не подозревали, что в основе этого явления лежит деление ядер. Поэтому радиоактивность изучали, чтобы понять природу распада ядра. Очевидно, что излучение порождались квантовыми переходами, но было не до конца ясно, какими именно. Чета Кюри добывала чистые радий и полоний, обрабатывая практически вручную урановую руду, чтобы получить ответ на этот вопрос.

Заряд радиоактивного излучения

Резерфорд много сделал для изучения строения атома и внес вклад и в исследование того, как происходит деление ядра атома. Ученый поместил излучение, выделяющееся радиоактивным элементом, в магнитное поле и получил потрясающий результат. Оказалось, что радиация состоит из трех компонентов: одна была нейтральной, а две другие - положительно и отрицательно заряженными. Изучение деления ядра началось с определения его составляющих. Было доказано, что ядро может делиться, отдавать часть своего положительного заряда.

Строение ядра

Позже выяснилось, что атомное ядро состоит не только из положительно заряженных частиц протонов, но и нейтральных частиц нейтронов. Все вместе они называются нуклонами (от английского «nucleus», ядро). Однако, ученые вновь натолкнулись на проблему: масса ядра (то есть количество нуклонов) не всегда соответствовала его заряду. У водорода ядро имеет заряд +1, а масса может быть и три, и два, и один. У следующего за ним в периодической таблице гелия заряд ядра +2, при этом его ядро содержит от 4 до 6 нуклонов. Более сложные элементы могут иметь гораздо большее количество разных масс при одном и том же заряде. Такие вариации атомов называются изотопами. Причем некоторые изотопы оказались вполне устойчивыми, другие же быстро распадались, так как для них было характерно деление ядер. Какому принципу отвечало количество нуклонов устойчивости ядер? Почему добавление всего лишь одного нейтрона к тяжелому и вполне стабильному ядру приводило к его расколу, к выделению радиоактивности? Как ни странно, ответ на этот важный вопрос до сих пор не найден. Опытным путем выяснилось, что определенным количествам протонов и нейтронов соответствуют устойчивые конфигурации атомных ядер. Если в ядре 2, 4, 8, 50 нейтронов и/или протонов, то ядро однозначно будет устойчивым. Эти числа даже называют магическими (и назвали их так взрослые ученые, ядерные физики). Таким образом, деление ядер зависит от их массы, то есть от количества входящих в них нуклонов.

Капля, оболочка, кристалл

Определить фактор, который отвечает за устойчивость ядра, на данный момент не удалось. Существует множество теорий модели Три самые знаменитые и разработанные зачастую противоречат друг другу в разных вопросах. Согласно первой, ядро - это капля специальной ядерной жидкости. Как и для воды, для него характерны текучесть, поверхностное натяжение, слияние и распад. В оболочечной модели в ядре тоже существуют некие уровни энергии, которые заполняются нуклонами. Третья утверждает, что ядро - среда, которая способна преломлять особые волны (дебройлевские), при этом коэффициент преломления - это Однако ни одна модель пока не смогла в полной мере описать, почему при определенной критической массе именно этого химического элемента, начинается расщепление ядра.

Каким бывает распад

Радиоактивность, как уже было сказано выше, была обнаружена в веществах, которые можно найти в природе: уране, полонии, радии. Например, только что добытый, чистый уран радиоактивен. Процесс расщепления в данном случае будет спонтанным. Без каких-либо внешних воздействий определенное количество атомов урана испустит альфа-частицы, самопроизвольно преобразуясь в торий. Есть показатель, который называется периодом полураспада. Он показывает, за какой промежуток времени от начального числа части останется примерно половина. Для каждого радиоактивного элемента период полураспада свой - от долей секунды для калифорния до сотен тысяч лет для урана и цезия. Но существует и вынужденная радиоактивность. Если ядра атомов бомбардировать протонами или альфа-частицами (ядрами гелия) с высокой кинетической энергией, то они могут «расколоться». Механизм превращения, конечно, отличается от того, как разбивается любимая мамина ваза. Однако некая аналогия прослеживается.

Энергия атома

Пока что мы не ответили на вопрос практического характера: откуда при делении ядра берется энергия. Для начала надо пояснить, что при образовании ядра действуют особые ядерные силы, которые называются сильным взаимодействием. Так как ядро состоит из множества положительных протонов, остается вопрос, как они держатся вместе, ведь электростатические силы должны достаточно сильно отталкивать их друг от друга. Ответ одновременно и прост, и нет: ядро держится за счет очень быстрого обмена между нуклонами особыми частицами - пи-мезонами. Эта связь живет невероятно мало. Как только прекращается обмен пи-мезонами, ядро распадается. Также точно известно, что масса ядра меньше суммы всех составляющих его нуклонов. Этот феномен получил название дефекта масс. Фактически недостающая масса - это энергия, которая затрачивается на поддержание целостности ядра. Как только от ядра атома отделяется какая-то часть, эта энергия выделяется и на атомных электростанциях преобразуется в тепло. То есть энергия деления ядра - это наглядная демонстрация знаменитой формулы Эйнштейна. Напомним, формула гласит: энергия и масса могут превращаться друг в друга (E=mc 2).

Теория и практика

Теперь расскажем, как это сугубо теоретическое открытие используется в жизни для получения гигаватт электроэнергии. Во-первых, необходимо отметить, что в управляемых реакциях используется вынужденное деление ядер. Чаще всего это уран или полоний, которые бомбардируется быстрыми нейтронами. Во-вторых, нельзя не понимать, что деление ядер сопровождается созданием новых нейтронов. В результате количество нейтронов в зоне реакции способно нарастать очень быстро. Каждый нейтрон сталкивается с новыми, еще целыми ядрами, расщепляет их, что приводит к росту выделения тепла. Это и есть цепная реакция деления ядер. Неконтролируемый рост количества нейтронов в реакторе способен привести к взрыву. Именно это и произошло в 1986 году на Чернобыльской АЭС. Поэтому в зоне реакции всегда присутствует вещество, которое поглощает лишние нейтроны, предотвращая катастрофу. Это графит в форме длинных стержней. Скорость деления ядер можно замедлить, погружая стрежни в зону реакции. Уравнение составляется конкретно для каждого действующего радиоактивного вещества и бомбардирующих его частиц (электроны, протоны, альфа-частицы). Однако конечный выход энергии подсчитывается согласно закону сохранения: Е1+Е2=Е3+Е4. То есть полная энергия исходного ядра и частицы (Е1+Е2) должно быть равным энергии получившегося ядра и выделившейся в свободном виде энергии (Е3+Е4). Уравнение ядерной реакции также показывает, какое вещество получается в результате распада. Например, для урана U=Th+He, U=Pb+Ne, U=Hg+Mg. Здесь не приведены изотопы химических элементов, однако это важно. Например, существует целых три возможности деления урана, при которых образуются различные изотопы свинца и неона. Почти в ста процентах случаев реакция деления ядра дает радиоактивные изотопы. То есть при распаде урана получается радиоактивный торий. Торий способен распасться до протактиния, тот - до актиния, и так далее. Радиоактивными в этом ряду могут быть и висмут, и титан. Даже водород, содержащий в ядре два протона (при норме один протон), называется иначе - дейтерий. Вода, образованная с таким водородом, называется тяжелой и заполняет первый контур в ядерных реакторах.

Немирный атом

Такие выражения, как «гонка вооружений», «холодная война», «ядерная угроза» современному человеку могут показаться историческими и неактуальными. Но когда-то каждый выпуск новостей почти по всему миру сопровождался репортажами о том, сколько изобретено видов ядерного оружия и как надо с этим бороться. Люди строили подземные бункеры и делали запасы на случай ядерной зимы. Целые семьи работали на создание убежища. Даже мирное использование реакций деления ядер может привести к катастрофе. Казалось бы, Чернобыль научил человечество аккуратности в этой сфере, но стихия планеты оказалась сильнее: землетрясение в Японии повредило весьма надежные укрепления АЭС «Фукусима». Энергию ядерной реакции использовать для разрушения гораздо легче. Технологам необходимо лишь ограничить силу взрыва, чтобы не разрушить ненароком всю планету. Наиболее «гуманные» бомбы, если их можно так назвать, не загрязняют окрестности радиацией. В целом чаще всего они используют неконтролируемую цепную реакцию. То, чего на атомных электростанциях стремятся всеми силами избежать, в бомбах добиваются весьма примитивным способом. Для любого естественно радиоактивного элемента существует некоторая критическая масса чистого вещества, в котором цепная реакция зарождается сама собой. Для урана, например, это всего пятьдесят килограммов. Так как уран очень тяжелый, это лишь небольшой металлический шарик 12-15 сантиметров в диаметре. Первые атомные бомбы, сброшенные на Хиросиму и Нагасаки, были сделаны именно по такому принципу: две неравные части чистого урана просто соединялись и порождали ужасающий взрыв. Современное оружие, вероятно, более сложное. Однако про критическую массу не стоит забывать: между небольшими объемами чистого радиоактивного вещества при хранении должны быть преграды, не позволяющие соединиться частям.

Источники радиации

Все элементы с зарядом атомного ядра больше 82 радиоактивны. Почти все более легкие химические элементы обладают радиоактивными изотопами. Чем тяжелее ядро, тем меньше его время жизни. Некоторые элементы (типа калифорния) можно добыть только искусственным путем - сталкивая тяжелые атомы с более легкими частицами, чаще всего на ускорителях. Так как они очень нестабильны, в земной коре их нет: при формировании планеты они очень быстро распались на другие элементы. Вещества с более легкими ядрами, например уран, вполне можно добывать. Процесс этот долгий, пригодного к добыче урана даже в очень богатых рудах содержится менее одного процента. Третий путь, пожалуй, указывает на то, что новая геологическая эпоха уже началась. Это добыча радиоактивных элементов из радиоактивных отходов. После отработки топлива на электростанции, на подлодке или авианосце, получается смесь исходного урана и конечного вещества, результата деления. На данный момент это считается твердыми радиоактивными отходами и стоит острый вопрос, как их захоранивать так, чтобы они не загрязнили окружающую среду. Однако есть вероятность, что в недалеком будущем уже готовые концентрированные радиоактивные вещества (к примеру, полоний), будут добывать из этих отходов.

Деление ядер урана было открыто в 1938 г. немецкими учеными О. Ганом и Ф. Штрассманом. Им удалось установить, что при бомбардировке ядер урана нейтронами образуются элементы средней части периодической системы: барий, криптон и др. Правильное толкование этому факту дали австрийский физик Л. Мейтнер и английский физик О. Фриш. Они объяснили появление этих элементов распадом ядер урана, захватившего нейтрон, на две примерно равные части. Это явление получило название деления ядер, а образующиеся ядра - осколков деления.

См. также

1. Васильев А. Деление урана: от Клапрота до Гана //Квант. - 2001. - № 4. - С. 20-21,30 .

Капельная модель ядра

Объяснить эту реакцию деления можно основываясь на капельной модели ядра. В этой модели ядро рассматривается как капля электрически заряженной несжимаемой жидкости. Кроме ядерных сил, действующих между всеми нуклонами ядра, протоны испытывают дополнительное электростатическое отталкивание, вследствие которого они располагаются на периферии ядра. В невозбужденном состоянии силы электростатического отталкивания скомпенсированы, поэтому ядро имеет сферическую форму (рис. 1, а).

После захвата ядром \(~^{235}_{92}U\) нейтрона образуется промежуточное ядро \(~(^{236}_{92}U)^*\), которое находится в возбужденном состоянии. При этом энергия нейтрона равномерно распределяется между всеми нуклонами, а само промежуточное ядро деформируется и начинает колебаться. Если возбуждение невелико, то ядро (рис. 1, б), освобождаясь от излишка энергии путем испускания γ -кванта или нейтрона, возвращается в устойчивое состояние. Если же энергия возбуждения достаточно велика, то деформация ядра при колебаниях может быть настолько большой, что в нем образуется перетяжка (рис. 1, в), аналогичная перетяжке между двумя частями раздваивающейся капли жидкости. Ядерные силы, действующие в узкой перетяжке, уже не могут противостоять значительной кулоновской силе отталкивания частей ядра. Перетяжка разрывается, и ядро распадается на два "осколка" (рис. 1, г), которые разлетаются в противоположные стороны.

uran.swf Flash: Деление урана Увеличить Flash Рис. 2.

В настоящее время известны около 100 различных изотопов с массовыми числами примерно от 90 до 145, возникающих при делении этого ядра. Две типичные реакции деления этого ядра имеют вид:

\(~^{235}_{92}U + \ ^1_0n \ ^{\nearrow}_{\searrow} \ \begin{matrix} ^{144}_{56}Ba + \ ^{89}_{36}Kr + \ 3^1_0n \\ ^{140}_{54}Xe + \ ^{94}_{38}Sr + \ 2^1_0n \end{matrix}\) .

Обратите внимание, что в результате деления ядра, инициированного нейтроном, возникают новые нейтроны, способные вызвать реакции деления других ядер. Продуктами деления ядер урана-235 могут быть и другие изотопы бария, ксенона, стронция, рубидия и т. д.

При делении ядер тяжелых атомов (\(~^{235}_{92}U\)) выделяется очень большая энергия - около 200 МэВ при делении каждого ядра. Около 80 % этой энергии выделяется в виде кинетической энергии осколков; остальные 20 % приходятся на энергию радиоактивного излучения осколков и кинетическую энергию мгновенных нейтронов.

Оценку выделяющей при делении ядра энергии можно сделать с помощью удельной энергии связи нуклонов в ядре. Удельная энергия связи нуклонов в ядрах с массовым числом A ≈ 240 порядка 7,6 МэВ/нуклон, в то время как в ядрах с массовыми числами A = 90 – 145 удельная энергия примерно равна 8,5 МэВ/нуклон. Следовательно, при делении ядра урана освобождается энергия порядка 0,9 МэВ/нуклон или приблизительно 210 МэВ на один атом урана. При полном делении всех ядер, содержащихся в 1 г урана, выделяется такая же энергия, как и при сгорании 3 т угля или 2,5 т нефти.

См. также

1. Варламов А.А. Капельная модель ядра //Квант. - 1986. - № 5. - С. 23-24

Цепная реакция

Цепная реакция - ядерная реакция, в которой частицы, вызывающие реакцию, образуются как продукты этой реакции.

При делении ядра урана-235, которое вызвано столкновением с нейтроном, освобождается 2 или 3 нейтрона. При благоприятных условиях эти нейтроны могут попасть в другие ядра урана и вызвать их деление. На этом этапе появятся уже от 4 до 9 нейтронов, способных вызвать новые распады ядер урана и т. д. Такой лавинообразный процесс называется цепной реакцией. Схема развития цепной реакции деления ядер урана представлена на рис. 3.

reakcia.swf Flash: цепная реакция Увеличить Flash Рис. 4.

Уран встречается в природе в виде двух изотопов\[~^{238}_{92}U\] (99,3 %) и \(~^{235}_{92}U\) (0,7 %). При бомбардировке нейтронами ядра обоих изотопов могут расщепляться на два осколка. При этом реакция деления \(~^{235}_{92}U\) наиболее интенсивно идет на медленных (тепловых) нейтронах, в то время как ядра \(~^{238}_{92}U\) вступают в реакцию деления только с быстрыми нейтронами с энергией порядка 1 МэВ. Иначе энергия возбуждения образовавшихся ядер \(~^{239}_{92}U\) оказывается недостаточной для деления, и тогда вместо деления происходят ядерные реакции:

\(~^{238}_{92}U + \ ^1_0n \to \ ^{239}_{92}U \to \ ^{239}_{93}Np + \ ^0_{-1}e\) .

Изотоп урана \(~^{238}_{92}U\) β -радиоактивен, период полураспада 23 мин. Изотоп нептуния \(~^{239}_{93}Np\) тоже радиоактивен, период полураспада около 2 дней.

\(~^{239}_{93}Np \to \ ^{239}_{94}Pu + \ ^0_{-1}e\) .

Изотоп плутония \(~^{239}_{94}Np\) относительно стабилен, период полураспада 24000 лет. Важнейшее свойство плутония состоит в том, что он делится под влиянием нейтронов так же, как \(~^{235}_{92}U\). Поэтому с помощью \(~^{239}_{94}Np\) может быть осуществлена цепная реакция.

Рассмотренная выше схема цепной реакции представляет собой идеальный случай. В реальных условиях не все образующиеся при делении нейтроны участвуют в делении других ядер. Часть их захватывается неделящимися ядрами посторонних атомов, другие вылетают из урана наружу (утечка нейтронов).

Поэтому цепная реакция деления тяжелых ядер возникает не всегда и не при любой массе урана.

Коэффициент размножения нейтронов

Развитие цепной реакции характеризуется так называемым коэффициентом размножения нейтронов К , который измеряется отношением числа N i нейтронов, вызывающих деление ядер вещества на одном из этапов реакции, к числу N i-1 нейтронов, вызвавших деление на предыдущем этапе реакции:

\(~K = \dfrac{N_i}{N_{i - 1}}\) .

Коэффициент размножения зависит от ряда факторов, в частности от природы и количества делящегося вещества, от геометрической формы занимаемого им объема. Одно и то же количество данного вещества имеет разное значение К . К максимально, если вещество имеет шарообразную форму, поскольку в этом случае потеря мгновенных нейтронов через поверхность будет наименьшей.

Масса делящегося вещества, в котором цепная реакция идет с коэффициентом размножения К = 1, называется критической массой. В небольших кусках урана большинство нейтронов, не попав ни в одно ядро, вылетают наружу.

Значение критической массы определяется геометрией физической системы, ее структурой и внешним окружением. Так, для шара из чистого урана \(~^{235}_{92}U\) критическая масса равна 47 кг (шар диаметром 17 см). Критическую массу урана можно во много раз уменьшить, если использовать так называемые замедлители нейтронов. Дело в том, что нейтроны, рождающиеся при распаде ядер урана, имеют слишком большие скорости, а вероятность захвата медленных нейтронов ядрами урана-235 в сотни раз больше, чем быстрых. Наилучшим замедлителем нейтронов является тяжелая вода D 2 O. Обычная вода при взаимодействии с нейтронами сама превращается в тяжелую воду.

Хорошим замедлителем является также графит, ядра которого не поглощают нейтронов. При упругом взаимодействии с ядрами дейтерия или углерода нейтроны замедляются до тепловых скоростей.

Применение замедлителей нейтронов и специальной оболочки из бериллия, которая отражает нейтроны, позволяет снизить критическую массу до 250 г.

При коэффициенте размножения К = 1 число делящихся ядер поддерживается на постоянном уровне. Такой режим обеспечивается в ядерных реакторах.

Если масса ядерного топлива меньше критической массы, то коэффициент размножения К < 1; каждое новое поколение вызывает все меньшее и меньшее число делений, и реакция без внешнего источника нейтронов быстро затухает.

Если же масса ядерного топлива больше критической, то коэффициент размножения К > 1 и каждое новое поколение нейтронов вызывает все большее число делений. Цепная реакция лавинообразно нарастает и имеет характер взрыва, сопровождающегося огромным выделением энергии и повышением температуры окружающей среды до нескольких миллионов градусов. Цепная реакция такого рода происходит при взрыве атомной бомбы.

Ядерная бомба

В обычном состоянии ядерная бомба не взрывается потому, что ядерный заряд в ней разделен на несколько небольших частей перегородками, поглощающими продукты распада урана, – нейтроны. Цепная ядерная реакция, являющаяся причиной ядерного взрыва, не может поддерживаться в таких условиях. Однако, если фрагменты ядерного заряда соединить вместе, то их суммарная масса станет достаточной для того, чтобы начала развиваться цепная реакция деления урана. В результате происходит ядерный взрыв. При этом мощность взрыва, развиваемая ядерной бомбой сравнительно небольших размеров, эквивалентна мощности, выделяющейся при взрыве миллионов и миллиардов тонн тротила.

Рис. 5. Атомная бомба

Главная » Для начинающих » Деление ядра урана сколько нейтронов. Деление ядер: процесс расщепления атомного ядра