Радіоактивність. Ланцюгова реакція поділу ядер урану. Поділ урану

У 1934 р. Е. Фермі вирішив отримати трансуранові елементи, опромінюючи 238 U нейтронами. Ідея Е. Фермі полягала в тому, що в результаті β-розпаду ізотопу 239 U утворюється хімічний елемент з порядковим номером Z = 93. Однак ідентифікувати утворення 93-го елемента не вдавалося. Натомість в результаті радіохімічного аналізу радіоактивних елементів, виконаного О.Ганом і Ф.Штрассманом, було показано, що одним із продуктів опромінення урану нейтронами є барій (Z = 56) – хімічний елемент середньої атомної ваги, тоді як згідно з припущенням теорії Фермі мали виходити трансуранові елементи.
Л. Мейтнер та О. Фріш висловили припущення, що внаслідок захоплення нейтрону ядром урану відбувається розвал складеного ядра на дві частини

92 U + n → 56 Ba + 36 Kr + xn.

Процес поділу урану супроводжується появою вторинних нейтронів (x > 1), здатних викликати поділ інших ядер урану, що відкриває потенційну можливість виникнення ланцюгової реакції поділу – один нейтрон може дати початок розгалуженому ланцюгу поділів ядер урану. При цьому кількість ядер, що розділилися, повинна зростати експоненційно. Н. Бор та Дж. Уіллер розрахували критичну енергію необхідну, щоб ядро ​​236 U, що утворилося в результаті захоплення нейтрону ізотопом 235 U, розділилося. Ця величина дорівнює 6,2 МеВ, що менше енергії збудження ізотопу 236 U, що утворюється при захопленні теплового нейтрону 235 U. Тому при захопленні теплових нейтронів можлива ланцюгова реакція поділу 235 U. Для найбільш поширеного ізотопу 238 U критична енергія дорівнює у той час як при захопленні теплового нейтрона енергія збудження ядра, що утворився, 239 U становить тільки 5,2 МеВ. Тому ланцюгова реакція поділу найбільш поширеного в природі ізотопу 238 U під дією теплових нейтронів виявляється неможливою. В одному акті поділу вивільняється енергія ≈ 200 МеВ (для порівняння в хімічних реакціях горіння в одному акті реакції виділяється енергія ≈ 10 еВ). Можливості створення умов для ланцюгової реакції поділу відкрили перспективи використання енергії ланцюгової реакції для створення атомних реакторів та атомної зброї. Перший ядерний реактор був побудований Е. Фермі в США в 1942 р. У СРСР перший ядерний реактор був запущений під керівництвом І. Курчатова в 1946 р. У 1954 р. в Обнінську почала працювати перша в світі атомна електростанція. В даний час електрична енергія виробляється приблизно у 440 ядерних реакторах у 30 країнах світу.
У 1940 р. Г.Флеров і К.Петржак відкрили спонтанний поділ урану. Про складність проведення експерименту свідчать такі цифри. Парціальний період напіврозпаду по відношенню до спонтанного поділу ізотопу 238 U становить 10 16 -10 17 років, в той час як період розпаду ізотопу 238 U становить 4.5 10 9 років. Основним каналом розпаду ізотопу 238 U є α-розпад. Для того, щоб спостерігати спонтанне поділ ізотопу 238 U, потрібно було реєструвати один акт поділу на фоні 107-108 актів α-розпаду.
Імовірність спонтанного поділу переважно визначається проникністю бар'єру поділу. Імовірність спонтанного поділу збільшується із збільшенням заряду ядра, т.к. при цьому збільшується параметр розподілу Z2/A. В ізотопах Z< 92-95 деление происходит преимущественно с образованием двух осколков деления с отношением масс тяжёлого и лёгкого осколков 3:2. В изотопах Z >100 переважає симетричний поділ з утворенням однакових за масою уламків. Зі збільшенням заряду ядра частка спонтанного поділу порівняно з α-розпадом збільшується.

Розподіл ядер. Історія

1934 р.− Е. Фермі, опромінюючи уран тепловими нейтронами, виявив серед продуктів реакції радіоактивні ядра, природу яких встановити не вдалося.
Л. Сціллард висунув ідею ланцюгової ядерної реакції.

1939 р.− О. Ган та Ф. Штрассман виявили серед продуктів реакцій барій.
Л. Мейтнер і О. Фріш вперше оголосили, що під дією нейтронів відбувався розподіл урану на два порівняні за масою уламки.
Н. Бор та Дж. Уілер дали кількісну інтерпретацію поділу ядра, ввівши параметр поділу.
Я. Френкель розвинув краплинну теорію розподілу ядер повільними нейтронами.
Л. Сціллард, Е. Вігнер, Е. Фермі, Дж. Вілер, Ф. Жоліо-Кюрі, Я. Зельдович, Ю. Харітон обґрунтували можливість протікання в урані ланцюгової ядерної реакції поділу.

1940 р.− Г. Флеров та К. Петржак відкрили явище спонтанного поділу ядер урану U.

1942 р.− Е. Фермі здійснив керовану ланцюгову реакцію поділу в першому атомному реакторі.

1945 р.− Перше випробування ядерної зброї (штат Невада, США). На японські міста Хіросіма (6 серпня) та Нагасакі (9 серпня) американськими військами було скинуто атомні бомби.

1946 р.− Під керівництвом І.В. Курчатова було пущено перший у Європі реактор.

1954 р.− Запущено першу у світі атомну електростанцію (м. Обнінськ, СРСР).

Розподіл ядер.З 1934 р. Е. Фермі став застосовувати нейтрони для бомбардування атомів. З того часу кількість стійких або радіоактивних ядер, отриманих шляхом штучного перетворення, зросла до багатьох сотень, і майже всі місця періодичної системи заповнилися ізотопами.
Атоми, що виникають у всіх цих ядерних реакціях, займали в періодичній системі те саме місце, що й бомбардований атом або сусідні місця. Тому справило велику сенсацію доказ Ганом та Штрассманом у 1938 р. того, що при обстрілі нейтронами останнього елемента періодичної системи−урану−відбувається розпад на елементи, які у середніх частинах періодичної системи. Тут виступають різні види розпаду. Виникаючі атоми здебільшого нестійкі і відразу ж розпадаються далі; у деяких часів напіврозпаду вимірюється секундами, так що Ган повинен був застосувати аналітичний метод Кюрі для продовження такого швидкого процесу. Важливо, що елементи, протактиній і торій, що стоять перед ураном, також виявляють подібний розпад під дією нейтронів, хоча для того, щоб розпад почався, потрібна вища енергія нейтронів, ніж у випадку урану. Поруч із 1940 р. Р. М. Флеров і К. А. Петржак виявили спонтанне розщеплення уранового ядра з найбільшим із відомих доти періодом напіврозпаду: близько 2· 10 15 років; цей факт стає явним завдяки нейтронам, що звільняються при цьому. Так з'явилася можливість зрозуміти, чому «природна» періодична система закінчується трьома названими елементами. Тепер стали відомі трансуранові елементи, але вони настільки нестійкі, що швидко розпадаються.
Розщеплення урану за допомогою нейтронів дає тепер можливість використання атомної енергії, яке вже багатьом мерехтіло, як «мрія Жюля Верна».

М. Лауе, "Історія фізики"

1939 р. О. Ган та Ф. Штрассман, опромінюючи солі урану тепловими нейтронами, виявили серед продуктів реакції барій (Z = 56)

Отто Ганн (1879 – 1968)

Поділ ядер - розщеплення ядра на два (рідше три) ядра з близькими масами, які називають уламками поділу. При розподілі з'являються й інші частки – нейтрони, електрони, α-частинки. Через війну розподілу вивільняється енергія ~200 МеВ. Поділ то, можливо спонтанним чи змушеним під впливом інших частинок, найчастіше нейтронів.
Характерною особливістю поділу є те, що уламки поділу, як правило, суттєво різняться за масами, тобто переважає асиметричний поділ. Так, у разі найбільш ймовірного поділу ізотопу урану 236 U, відношення мас уламків дорівнює 1.46. Тяжкий уламок має при цьому масове число 139 (ксенон), а легкий – 95 (стронцій). З урахуванням випромінювання двох миттєвих нейтронів розглянута реакція поділу має вигляд

Нобелівська премія з хімії
1944 р. – О. Ган.
За відкриття реакції розподілу ядер урану нейтронами.

Уламки розподілу

Залежність середніх мас легкої і важкої груп уламків від маси ядра, що ділиться.

Відкриття поділу ядер. 1939 р.

Я приїхав до Швеції, де Лізі Мейтнер страждала від самотності, і я, як відданий племінник, вирішив відвідати її на різдво. Вона жила в маленькому готелі Кунгель біля Гетеборга. Я застав її за сніданком. Вона обмірковувала листа, щойно отриманий нею від Гана. Я був дуже скептично налаштований щодо змісту листа, в якому повідомлялося про утворення барію при опроміненні урану нейтронами. Однак її привабила така можливість. Ми гуляли снігом, вона пішки, я на лижах (вона сказала, що може пройти цей шлях, не відставши від мене, і довела це). До кінця прогулянки ми могли сформулювати деякі висновки; ядро не розколювалося, і від нього не відлітали шматки, а це був процес, що швидше нагадував краплинну модель ядра Бора; подібно до краплі ядро ​​могло подовжуватися і ділитися. Потім я дослідив, яким чином електричний заряд нуклонів зменшує поверхневий натяг, який, як мені вдалося встановити, падає до нуля за Z = 100 і, можливо, дуже мало для урану. Лізе Мейтнер займалася визначенням енергії, що виділяється при кожному розпаді через дефект маси. Вона дуже ясно уявляла собі криву дефект мас. Виявилося, що за рахунок електростатичного відштовхування елементи поділу придбали б енергію близько 200 МеВ, а саме відповідало енергії, пов'язаної з дефектом маси. Тому процес міг йти суто класично без залучення поняття проходження через потенційний бар'єр, яке, звичайно, виявилося б тут марним.
Ми провели разом два чи три дні на різдво. Потім я повернувся до Копенгагена і ледве встиг повідомити Бору про нашу ідею в той самий момент, коли він уже сідав на пароплав, що вирушає до США. Я пам'ятаю, як він ляснув себе по лобі, тільки-но почав говорити, і вигукнув: «О, які ми були дурні! Ми мали помітити це раніше». Але він не помітив і ніхто не помітив.
Ми з Лізою Мейтнер написали статтю. При цьому ми постійно підтримували зв'язок міжміського телефону Копенгаген – Стокгольм.

О. Фріш, Спогади. УФН. 1968. Т. 96, вип.4, с. 697.

Спонтанний поділ ядер

В наведених нижче дослідах ми використовували метод, вперше запропонований Фрішем для реєстрації процесів поділу ядер. Іонізаційна камера з пластинами, покритими шаром окису урану, з'єднується з лінійним підсилювачем, налаштованим таким чином, що частинки, що вилітають з урану, не реєструються системою; імпульси від осколків, набагато перевищують за величиною імпульси від α-часток, відмикають вихідний тиратрон і вважаються механічним реле.
Була спеціально сконструйована іонізаційна камера у вигляді багатошарового плоского конденсатора із загальною площею 15 пластин 1000 см. Пластини, розташовані одна від одної на відстані 3 мм, були покриті шаром окису урану 10-20 мг/см. 2 .
У перших же дослідах з налаштованим для рахунку уламків підсилювачем вдалося спостерігати мимовільні (без джерела нейтронів) імпульси на реле та осцилографі. Число цих імпульсів було невеликим (6 в 1 годину), і цілком зрозуміло тому, що це явище не могло спостерігатися з камерами звичайного типу.
Ми схильні думати, що спостережуваний нами ефект слід приписати уламкам, що виходять в результаті спонтанного поділу урану.

Спонтанний поділ слід приписати одному з збуджених ізотопів U з періодами напіврозпаду, отриманими з оцінки наших результатів:

U 238 – 10 16 ~ 10 17 років,
U 235 – 10 14 ~ 10 15 років,
U 234 – 10 12 ~ 10 13 років.

Розпад ізотопу 238 U

Спонтанний поділ ядер

Періоди напіврозпаду ізотопів, що спонтанно діляться Z = 92 - 100

Перша експериментальна система з уран-графітовими гратами була побудована в 1941 р. під керівництвом Е. Фермі. Вона була графітовим кубом з ребром довжиною 2,5 м, що містить близько 7 т окису урану, укладеного в залізні судини, які були розміщені в кубі на однакових відстанях один від одного. На дні уран-графітових ґрат було поміщено RaBe джерело нейтронів. Коефіцієнт розмноження у такій системі був 0.7. Окис урану містив від 2 до 5% домішок. Подальші зусилля були спрямовані на отримання чистіших матеріалів і до травня 1942 р. був отриманий окис урану, в якому домішка становила менше 1%. Щоб забезпечити ланцюгову реакцію поділу, необхідно було використовувати велику кількість графіту і урану – близько кількох тонн. Домішки мали становити менше кількох мільйонних часток. Реактор, зібраний до кінця 1942 р. Фермі в університеті Чикаго, мав форму зрізаного зверху неповного сфероїда. Він містив 40 т урану та 385 т графіту. Увечері 2 грудня 1942 р. після того, як було прибрано стрижні нейтронного поглинача, було виявлено, що всередині реактора відбувається ланцюгова ядерна реакція. Виміряний коефіцієнт становив 1.0006. Спочатку реактор працював лише на рівні потужності 0.5 Вт. До 12 грудня його потужність було збільшено до 200 Вт. Надалі реактор був перенесений у безпечніше місце, і потужність його була підвищена до кількох кВт. У цьому реактор споживав 0.002 р урану-235 щодня.

Перший ядерний реактор у СРСР

Будівля для першого в СРСР дослідницького ядерного реактора Ф-1 була готова до червня 1946 року.
Після того як було проведено всі необхідні експерименти, розроблено систему управління та захисту реактора, встановлено розміри реактора, проведено всі необхідні досліди з моделями реактора, визначено щільність нейтронів на кількох моделях, отримано графітові блоки (так звану ядерну чистоту) та (після нейтронно-фізичної) перевірки) уранові блочки, у листопаді 1946 р. розпочали спорудження реактора Ф-1.
Загальний радіус реактора був 3,8 м. Для нього знадобилося 400 т графіту та 45 т урану. Реактор збирали шарами і о 15 год 25 грудня 1946 р. було зібрано останній, 62-й шар. Після вилучення про аварійних стрижнів було зроблено підйом регулюючого стрижня, почався відлік щільності нейтронів, й у 18 год 25 грудня 1946 р. ожив, запрацював перший у СРСР реактор. Це була хвилююча перемога вчених – творців ядерного реактора та всього радянського народу. А через півтора роки, 10 червня 1948 р., промисловий реактор з водою в каналах досяг критичного стану і незабаром розпочалося промислове виробництво нового виду ядерного пального – плутонію.

Поділ ядра- процес розщеплення атомного ядра на два (рідше три) ядра з близькими масами, які називають осколками поділу. В результаті поділу можуть виникати й інші продукти реакції: легкі ядра (в основному альфа-частинки), нейтрони та гамма-кванти. Поділ буває спонтанним (мимовільним) і вимушеним (в результаті взаємодії з іншими частинками, насамперед, з нейтронами). Розподіл важких ядер - екзотермічний процес, у результаті якого вивільняється велика кількість енергії як кінетичної енергії продуктів реакції, і навіть випромінювання. Розподіл ядер служить джерелом енергії в ядерних реакторах та ядерній зброї. Процес поділу може протікати тільки в тому випадку, коли потенційна енергія початкового стану ядра, що ділиться, перевищує суму мас уламків поділу. Оскільки питома енергія зв'язку важких ядер зменшується зі збільшенням їхньої маси, ця умова виконується майже всім ядер з масовим числом .

Однак, як показує досвід, навіть найважчі ядра діляться мимоволі з дуже малою ймовірністю. Це означає, що існує енергетичний бар'єр ( бар'єр поділу), що перешкоджає поділу. Для опису процесу розподілу ядер, включаючи обчислення бар'єру розподілу, використовується кілька моделей, але жодна з них не дозволяє пояснити процес повністю.

Те, що при розподілі важких ядер виділяється енергія, безпосередньо випливає із залежності питомої енергії зв'язку ε = E св (A,Z)/A від масового числа А. При розподілі важкого ядра утворюються легші ядра, у яких нуклони пов'язані сильніше, і частина енергії при розподілі вивільняється. Зазвичай, розподіл ядер супроводжується вильотом 1 – 4 нейтронів. Виразимо енергію поділу Q справ через енергії зв'язку початкового та кінцевих ядер. Енергію початкового ядра, що складається з протонів Z і N нейтронів, і має масу M(A,Z) і енергію зв'язку E св (A,Z), запишемо в наступному вигляді:

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

Розподіл ядра (A,Z) на 2 уламки (A 1 ,Z 1) і (А 2 ,Z 2) супроводжується утворенням N n = A – A 1 – A 2 миттєвих нейтронів. Якщо ядро ​​(A,Z) розділилося на уламки з масами M 1 (A 1 ,Z 1), M 2 (A 2 ,Z 2) та енергіями зв'язку E св1 (A 1 ,Z 1), E св2 (A 2 , Z 2), то для енергії поділу маємо вираз:

Q діл = (M(A,Z) – )c 2 = E св 1 (A 1 ,Z 1) + E св (A 2 ,Z 2) – E св (A,Z),

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

23. Елементарна теорія поділу.

У 1939 р. Н. Борі Дж.Вілер, а також Я. Френкельще задовго до того, як розподіл було всебічно вивчено експериментально, запропонували теорію цього процесу, засновану на уявленні про ядро ​​як краплю зарядженої рідини.

Енергія, що звільняється при розподілі, може бути отримана безпосередньо з Формули Вайцзеккера.

Розрахуємо величину енергії, що виділяється при розподілі важкого ядра. Підставимо в (f.2) вирази для енергій зв'язку ядер (f.1), вважаючи А 1 =240 і Z 1 = 90. Нехтуючи останнім членом (f.1) внаслідок його малості і підставивши значення параметрів a 2 і a 3 ,отримуємо

Звідси отримаємо, що розподіл енергетично вигідно, коли Z2/A>17. Величина Z2/A називається параметром ділимості. Енергія Е, що звільняється при розподілі, зростає зі збільшенням Z 2 /A; Z 2 /A = 17 для ядер у районі ітрію та цирконію. З отриманих оцінок видно, що розподіл енергетично вигідно всім ядер з A > 90. Чому більшість ядер стійко стосовно мимовільному поділу? Щоб відповісти на це питання, подивимося, як змінюється форма ядра у процесі розподілу.

Розглянемо початкову стадію поділу, коли ядро ​​зі збільшенням r набуває форми все більш витягнутого еліпсоїда обертання. У цій стадії розподілу r - міра відхилення ядра від сферичної форми (рис.3). Внаслідок еволюції форми ядра зміна його потенційної енергії визначається зміною суми поверхневої та кулонівської енергій Е"п+Е" до. Передбачається, що обсяг ядра в процесі деформації залишається незмінним. Поверхнева енергія Е" при цьому зростає, так як збільшується площа поверхні ядра. Кулонівська енергія Е" до зменшується, так як збільшується середня відстань між нуклонами. Нехай сферичне ядро ​​внаслідок незначної деформації, що характеризується малим параметром, набуло форми аксіально-симетричного еліпсоїда. Можна показати, що поверхнева енергія Е" п і кулонівська енергія Е" в залежності від змінюються наступним чином:

У разі малих еліпсоїдальних деформацій зростання поверхневої енергії відбувається швидше, ніж зменшення кулонівської енергії. В області важких ядер 2Е п>Е до сума поверхневої та кулонівської енергій збільшується із збільшенням. З (f.4) і (f.5) випливає, що при малих деформаціях еліпсоїдів зростання поверхневої енергії перешкоджає подальшій зміні форми ядра, а, отже, і поділу. Вираз (f.5) справедливо для малих значень (малих деформацій). Якщо деформація настільки велика, що ядро ​​набуває форми гантелі, то сили поверхневого натягу, як і кулонівські сили, прагнуть розділити ядро ​​і надати уламкам кулясту форму. На цій стадії поділу збільшення деформації супроводжується зменшенням як кулонівської, так і поверхневої енергії. Тобто. при поступовому збільшенні деформації ядра потенційна енергія проходить через максимум. Тепер r має сенс відстані між центрами майбутніх уламків. При видаленні осколків один від одного, потенційна енергія їхньої взаємодії буде зменшаться, оскільки зменшується енергія кулонівського відштовхування Е к. Залежність потенційної енергії від відстані між осколками показана на рис. 4. Нульовий рівень потенційної енергії відповідає сумі поверхневої та кулонівської енергій двох невзаємодіючих уламків. Наявність потенційного бар'єру перешкоджає миттєвому мимовільному поділу ядер. Для того щоб ядро ​​миттєво розділилося, йому необхідно повідомити енергію Q, що перевищує висоту бар'єру Н. Максимум потенційної енергії ядра, що ділиться приблизно дорівнює 2 Z 2 /(R 1 +R 2), де R 1 і R 2 - радіуси осколків. Наприклад, при розподілі ядра золота на два однакові уламки е 2 Z 2 /(R 1 +R 2) = 173 МеВ, а величина енергії Е, що звільняється при розподілі ( див. формулу (f.2)), дорівнює 132 МеВ. Таким чином, при розподілі ядра золота необхідно подолати потенційний бар'єр заввишки близько 40 МеВ. Висота бар'єру Н тим більша, чим менше відношення кулонівської та поверхневої енергії Е до /Е п у початковому ядрі. Це відношення, у свою чергу, збільшується зі збільшенням параметра подільності Z 2 /А ( див. (f.4)). Чим важче ядро, тим менша висота бар'єру Н , оскільки параметр подільності збільшується зі зростанням масового числа:

Тобто. згідно з крапельною моделлю в природі повинні бути відсутні ядра з Z 2 /А > 49, оскільки вони практично миттєво (за характерний ядерний час близько 10 -22 с) мимовільно діляться. Існування атомних ядер з Z 2 /А > 49 ("острів стабільності") пояснюється оболонковою структурою. Залежність форми, висоти потенційного бар'єру H та енергії поділу E від величини параметра подільності Z 2 /А показано на рис. 5.

Мимовільне розподіл ядер з Z 2 /А< 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 років для 232 Th до 0.3 с для 260 Кu. Вимушений поділ ядер із Z 2 /А < 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.

>> Розподіл ядер урану

§ 107 ДІЛЕННЯ ЯДЕР УРАНУ

Ділитись на частини можуть лише ядра деяких важких елементів. При розподілі ядер випромінюються два-три нейтрони і промені. Одночасно виділяється велика енергія.

Відкриття поділу урану.Розподіл ядер урану було відкрито 1938 р. німецькими вченими О. Ганом іФ. Штрассманом. Вони встановили, що при бомбардуванні урану нейтронами виникають елементи середньої частини періодичної системи: барій, криптон та ін. Проте правильне тлумачення цього факту саме як поділу ядра урану, що захопив нейтрон, було дано на початку 1939 р. англійським фізиком О. Фрішем спільно з ав. фізиком Л. Мейтнер.

Захоплення нейтрону порушує стабільність ядра. Ядро збуджується і стає нестійким, що призводить до його поділу на уламки. Поділ ядра можливе тому, що маса спокою важкого ядра більша за суму мас спокою осколків, що виникають при розподілі. Тому відбувається виділення енергії, еквівалентної зменшення маси спокою, що супроводжує поділ.

Можливість поділу важких ядер можна пояснити за допомогою графіка залежності питомої енергії зв'язку від масового числа А (див. рис. 13.11). Питома енергія зв'язку ядер атомів елементів, які у періодичної системі останні місця (А 200), приблизно 1 МеВ менше питомої енергії зв'язку в ядрах елементів, що у середині періодичної системи (А 100). Тому процес розподілу важких ядер на ядра елементів середньої частини періодичної системи є енергетично вигідним. Система після розподілу перетворюється на стан із мінімальною внутрішньої енергією. Адже, чим більше енергія зв'язку ядра, тим більша енергія повинна виділятися нри виникненні ядра і, отже, тим менше внутрішня енергія нової системи.

При розподілі ядра енергія зв'язку, що припадає на кожен нуклон, збільшується на 1 МеВ і загальна енергія, що виділяється, повинна бути величезною - близько 200 МеВ. За жодної іншої ядерної реакції (не пов'язаної з розподілом) таких великих енергій не виділяється.

Безпосередні вимірювання енергії, що виділяється при розподілі ядра урану, підтвердили наведені міркування та дали значення200 МеВ. Причому більшість цієї енергії (168 МеВ) посідає кінетичну енергію осколків. На малюнку 13.13 ви бачите треки осколків урану, що ділиться в камері Вільсона.

Енергія, що виділяється при розподілі ядра, має електростатичне, а не ядерне походження. Велика кінетична енергія, яку мають уламки, виникає внаслідок їхнього кулонівського відштовхування.

Механізм розподілу ядра.Процес поділу атомного ядра можна пояснити на основі краплинної моделі ядра. Відповідно до цієї моделі потік нуклонів нагадує крапельку зарядженої рідини (рис. 13.14, а). Ядерні сили між нуклонами є короткодіючими, подібно до сил, що діють між молекулами рідини. Поряд із великими силами електростатичного відштовхування між протонами, що прагнуть розірвати ядро ​​на частини, діють ще більші ядерні сили тяжіння. Ці сили утримують ядро ​​від розпаду.

Ядро урану-235 має форму кулі. Поглинувши зайвий нейтрон, воно збуджується і починає деформуватися, набуваючи витягнутої форми (рис. 13.14, б). Ядро розтягуватиметься доти, доки сили відштовхування між половинками витягнутого ядра не почнуть переважати над силами тяжіння, що діють у перешийку (рис. 13.14, в). Після цього воно розривається на дві частини (рис. 1314 г).

Під дією кулонівських сил відштовхування ці уламки розлітаються зі швидкістю, що дорівнює 1/30 швидкості світла.

Випускання нейтронів у процесі розподілу.Фундаментальний факт ядерного поділу - випромінювання у процесі поділу двох-трьох нейтронів. Саме завдяки цьому виявилося можливим практичне використання внутрішньоядерної енергії.

Зрозуміти, чому відбувається випромінювання вільних нейтронів, можна виходячи з таких міркувань. Відомо, що відношення числа нейтронів до протонів у стабільних ядрах зростає з підвищенням атомного номера. Тому у осколків, що виникають при розподілі, відносне число нейтронів виявляється більшим, ніж це допустимо для ядер атомів, що знаходяться в середині таблиці Менделєєва. Через війну кілька нейтронів звільняється у процесі поділу. Їхня енергія має різні значення - від кількох мільйонів електрон-вольт до зовсім малих, близьких до нуля.

Поділ зазвичай відбувається на уламки, маси яких відрізняються приблизно в 1,5 рази. Уламки ці сильно радіоактивні, оскільки містять надмірну кількість нейтронів. В результаті серії послідовних розпадів врешті-решт виходять стабільні ізотопи.

На закінчення відзначимо, що є також спонтанний поділ ядер урану. Воно було відкрито радянськими фізиками Г. Н. Флеровим та К. А. Петржаком у 1940 р. Період напіврозпаду для спонтанного поділу дорівнює 10 16 років. Це в два мільйони разів більше періоду напіврозпаду при розпаді урану.

Реакція розподілу ядер супроводжується виділенням енергії.

Ядерні реакції розподілу ядра- Реакції поділу, що полягають у тому, що важке ядро ​​під дією нейтронів, а як згодом виявилося, та інших частинок ділиться на кілька легших ядер (уламків), найчастіше на два ядра, близьких по масі.

Особливістю поділу ядер є те, що воно супроводжується випромінюванням двох-трьох вторинних нейтронів, званих нейтронами поділу.Так як для середніх ядер число нейтронів приблизно дорівнює числу протонів ( N/Z ≈ 1), а важких ядер число нейтронів значно перевищує число протонів ( N/Z ≈ 1,6), то осколки поділу, що утворилися, перевантажені нейтронами, в результаті чого вони і виділяють нейтрони поділу. Однак випромінювання нейтронів поділу не усуває повністю навантаження ядер-уламків нейтронами. Це призводить до того, що уламки виявляються радіоактивними. Вони можуть зазнати ряду β-перетворень, що супроводжуються випромінюванням γ-квантів. Оскільки β-розпад супроводжується перетворенням нейтрону в протон, то після ланцюжка β-перетворень співвідношення між нейтронами і протонами в осколку досягне величини, що відповідає стабільному ізотопу. Наприклад, при розподілі ядра урану U

U + n →Хе + Sr +2 n(265.1)

уламок розподілу Хе в результаті трьох актів β - -розпаду перетворюється на стабільний ізотоп лантану La:

Хе → Cs → Ba → La.

Уламки поділу можуть бути різноманітними, тому реакція (265.1) не єдина, що веде до поділу U.

Більшість нейтронів при розподілі випускається практично миттєво ( t≤ 10 –14 c), а частина (близько 0,7%) випускається уламками розподілу через деякий час після розподілу (0,05 c ≤ t≤ 60 с). Перші з них називаються миттєвими,другі – запізнюється.У середньому кожний акт розподілу припадає 2,5 випущених нейтронів. Вони мають порівняно широкий енергетичний спектр у межах від 0 до 7 МеВ, причому на один нейтрон у середньому припадає енергія близько 2 МеВ.

Розрахунки показують, що розподіл ядер має супроводжуватися також виділенням великої кількості енергії. Справді, питома енергія зв'язку для ядер середньої маси становить приблизно 8,7 МеВ, тоді як важких ядер вона дорівнює 7,6 МеВ. Отже, при розподілі важкого ядра на два уламки повинна звільнятися енергія, що дорівнює приблизно 1,1 МеВ на один нуклон.

В основу теорії розподілу атомних ядер (Н. Бор, Я. І. Френкель) покладено краплинну модель ядра. Ядро сприймається як крапля електрично зарядженої несжимаемой рідини (зі щільністю, рівної ядерної, і підпорядковується законам квантової механіки), частки якої у попаданні нейтрона в ядро ​​в коливальний рух, у результаті ядро ​​розривається дві частини, розлітаються з величезної енергією.

Імовірність розподілу ядер визначається енергією нейтронів. Наприклад, якщо високоенергетичні нейтрони викликають розподіл практично всіх ядер, то нейтрони з енергією в кілька мега-електрон-вольт – лише важких ядер ( А>210), Нейтрони, що мають енергією активації(Мінімальною енергією, необхідною для здійснення реакції поділу ядра) порядку 1 МеВ, викликають розподіл ядер урану U, торію Тh, протактинія Pa, плутонію Pu. Тепловими нейтронами діляться ядра U, Pu, і U, Th (два останні ізотопи в природі не зустрічаються, вони виходять штучним шляхом).

Вторинні нейтрони, що випускаються при розподілі ядер, можуть викликати нові акти поділу, що уможливлює здійснення ланцюгової реакції поділу- Ядерної реакції, в якій частинки, що викликають реакцію, утворюються як продукти цієї реакції. Ланцюгова реакція поділу характеризується коефіцієнтом розмноження kнейтронів, який дорівнює відношенню числа нейтронів у даному поколінні до їх числа в попередньому поколінні. Необхідною умовоюдля розвитку ланцюгової реакції поділу є вимога k ≥ 1.

Виявляється, що не всі вторинні нейтрони, що утворюються, викликають подальше розподіл ядер, що призводить до зменшення коефіцієнта розмноження. По-перше, через кінцеві розміри активної зони(простір, де відбувається цінна реакція) і великий проникаючої здатності нейтронів частина їх покине активну зону раніше, ніж буде захоплена яким-небудь ядром. По-друге, частина нейтронів захоплюється ядрами домішок, що не діляться, завжди присутніх в активній зоні Крім того, поряд з поділом можуть мати місце конкуруючі процеси радіаційного захоплення і непружного розсіювання.

Коефіцієнт розмноження залежить від природи речовини, що ділиться, а для даного ізотопу - від його кількості, а також розмірів і форми активної зони. Мінімальні розміри активної зони, за яких можливе здійснення ланцюгової реакції, називаються критичними розмірами.Мінімальна маса речовини, що ділиться, що знаходиться в системі критичних розмірів, необхідна для здійснення ланцюгової реакції,називається критичною масою.

Швидкість розвитку ланцюгових реакцій різна. Нехай Т -середній час

життя одного покоління, а N- Число нейтронів у цьому поколінні. У наступному поколінні їхнє число дорівнює kN,Т. е. приріст числа нейтронів за одне покоління dN = kN - N = N(k – 1). Приріст числа нейтронів за одиницю часу, тобто швидкість наростання ланцюгової реакції,

. (266.1)

Інтегруючи (266.1), отримаємо

,

де N 0- Число нейтронів у початковий момент часу, а N- їх кількість у момент часу t. Nвизначається знаком ( k- 1). При k>1 йде реакція, що розвивається,кількість поділів безперервно зростає і реакція може стати вибуховою. При k=1 йде самопідтримувана реакція,при якій кількість нейтронів з часом не змінюється. При k <1 идет загасаюча реакція,

Ланцюгові реакції дпяться на керовані та некеровані. Вибух атомної бомби, наприклад, є некерованою реакцією. Щоб атомна бомба при зберіганні не вибухнула, у ній U (або Pu) ділиться на дві віддалені одна від одної частини з масами нижче критичних. Потім за допомогою звичайного вибуху ці маси зближуються, загальна маса речовини, що ділиться, стає більш критичною і виникає вибухова ланцюгова реакція, що супроводжується миттєвим виділенням величезної кількості енергії і великими руйнуваннями. Вибухова реакція починається за рахунок наявних нейтронів спонтанного поділу або нейтронів космічного випромінювання. Керовані ланцюгові реакції здійснюються в ядерних реакторах.

Поділ ядра - це розщеплення важкого атома на два фрагменти приблизно рівної маси, що супроводжується виділенням великої кількості енергії.

Відкриття ядерного поділу почало нову епоху - «атомне століття». Потенціал можливого його використання та співвідношення ризику до користі від його застосування не тільки породили безліч соціологічних, політичних, економічних та наукових досягнень, а й серйозні проблеми. Навіть із суто наукової точки зору процес ядерного поділу створив велику кількість головоломок та ускладнень, і повне теоретичне його пояснення є справою майбутнього.

Ділитись – вигідно

Енергії зв'язку (на нуклон) у різних ядер різняться. Більш важкі мають меншу енергію зв'язку, ніж розташовані в середині періодичної таблиці.

Це означає, що важким ядрам, у яких атомне число більше 100, вигідно ділитися на два менші фрагменти, тим самим вивільняючи енергію, яка перетворюється на кінетичну енергію осколків. Цей процес називається розщепленням

Відповідно до кривої стабільності, яка показує залежність числа протонів від числа нейтронів для стабільних нуклідів, більш важкі ядра віддають перевагу більшій кількості нейтронів (у порівнянні з кількістю протонів), ніж легші. Це говорить про те, що поряд із процесом розщеплення будуть випускатися деякі «запасні» нейтрони. Крім того, вони також прийматимуть на себе частину енергії, що виділяється. Вивчення розподілу ядра атома урану показало, що при цьому виділяється 3-4 нейтрони: 238 U → 145 La + 90 Br + 3n.

Атомне число (і атомна маса) осколка не дорівнює половині атомної маси батька. Різниця між масами атомів, що утворилися внаслідок розщеплення, зазвичай становить близько 50. Щоправда, причина цього ще зовсім зрозуміла.

Енергії зв'язку 238 U, 145 La і 90 Br дорівнюють 1803, 1198 та 763 МеВ відповідно. Це означає, що в результаті цієї реакції вивільняється енергія поділу ядра урану, що дорівнює 1198 + 763-1803 = 158 МеВ.

Мимовільний поділ

Процеси спонтанного розщеплення відомі у природі, але дуже рідкісні. Середній час життя цього процесу становить близько 10 17 років, а, наприклад, середній час життя альфа-розпаду того ж радіонукліду становить близько 10 11 років.

Причина цього полягає в тому, що для того, щоб розділитися на дві частини, ядро ​​має спочатку піддатися деформації (розтягтися) в еліпсоїдальну форму, а потім перед остаточним розщепленням на два фрагменти утворити «шийку» посередині.

Потенційний бар'єр

У деформованому стані на ядро ​​діють дві сили. Одна з них – збільшена поверхнева енергія (поверхневий натяг краплі рідини пояснює її сферичну форму), а інша – кулонівське відштовхування між уламками поділу. Разом вони справляють потенційний бар'єр.

Як і у випадку альфа-розпаду, щоб відбулося спонтанне поділ ядра атома урану, фрагменти повинні подолати цей бар'єр за допомогою квантового тунелювання. Величина бар'єру становить близько 6 МеВ, як і у випадку з альфа-розпадом, але ймовірність тунелювання α-частинки значно більша, ніж значно важчого продукту розщеплення атома.

Вимушене розщеплення

Набагато найімовірнішим є індуковане розподіл ядра урану. У цьому випадку материнське ядро ​​опромінюється нейтронами. Якщо батько його поглинає, вони зв'язуються, вивільняючи енергію зв'язку як коливальної енергії, що може перевищити 6 МеВ, необхідні подолання потенційного бар'єру.

Там, де енергії додаткового нейтрона недостатньо для подолання потенційного бар'єру, нейтрон, що падає, повинен мати мінімальну кінетичну енергію для того, щоб мати можливість індукувати розщеплення атома. Що стосується 238 U енергії зв'язку додаткових нейтронів бракує близько 1 МеВ. Це означає, що розподіл ядра урану індукується лише нейтроном з кінетичною енергією більше 1 МеВ. З іншого боку, ізотоп 235 має один непарний нейтрон. Коли ядро ​​поглинає додатковий, він утворює з ним пару, і в результаті цього парування з'являється додаткова енергія зв'язку. Цього достатньо для звільнення кількості енергії, необхідної для того, щоб ядро ​​подолало потенційний бар'єр і поділ ізотопу відбувався при зіткненні з будь-яким нейтроном.

Бета-розпад

Незважаючи на те, що при реакції поділу випромінюються три або чотири нейтрони, уламки, як і раніше, містять більше нейтронів, ніж їх стабільні ізобари. Це означає, що фрагменти розщеплення, як правило, нестійкі до бета-розпаду.

Наприклад, коли відбувається розподіл ядра урану 238 U, стабільним ізобаром з А = 145 є неодим 145 Nd, що означає, що фрагмент лантан 145 La розпадається в три етапи, щоразу випромінюючи електрон та антинейтрино, доки не буде утворено стабільний нуклід. Стабільним ізобаром з A = 90 є цирконій 90 Zr, тому уламок розщеплення бром 90 Br розпадається у п'ять етапів ланцюга β-розпаду.

Ці ланцюги β-розпаду виділяють додаткову енергію, яка майже вся виноситься електронами та антинейтрино.

Ядерні реакції: розподіл ядер урану

Пряме випромінювання нейтрону з нукліду з занадто великою кількістю для забезпечення стабільності ядра малоймовірно. Тут справа полягає в тому, що немає кулонівського відштовхування і тому поверхнева енергія має тенденцію до утримання нейтрону у зв'язку з батьком. Тим не менш, це іноді відбувається. Наприклад, фрагмент поділу 90 Br у першій стадії бета-розпаду виробляє криптон-90, який може бути у збудженому стані з достатньою енергією, щоб подолати поверхневу енергію. У цьому випадку випромінювання нейтронів може відбуватися безпосередньо з утворенням криптону-89. як і раніше, нестійкий по відношенню до β-розпаду, поки не перейде в стабільний ітрій-89, так що криптон-89 розпадається в три етапи.

Розподіл ядер урану: ланцюгова реакція

Нейтрони, що випускаються в реакції розщеплення, можуть бути поглинені іншим ядром-батьком, яке потім піддається індукованому поділу. У разі урану-238 три нейтрони, що виникають, виходять з енергією менше 1 МеВ (енергія, що виділяється при розподілі ядра урану - 158 МеВ - в основному переходить у кінетичну енергію уламків розщеплення), тому вони не можуть викликати подальшого розподілу цього нукліду. Тим не менш, при значній концентрації рідкісного ізотопу 235 U ці вільні нейтрони можуть бути захоплені ядрами 235 U, що дійсно може викликати розщеплення, так як в цьому випадку відсутня енергетичний поріг, нижче якого розподіл не індукується.

Такий принцип ланцюгової реакції.

Типи ядерних реакцій

Нехай k - число нейтронів, вироблене у зразку матеріалу, що ділиться на стадії n цього ланцюга, поділене на число нейтронів, утворених на стадії n - 1. Це число залежатиме від того, скільки нейтронів, отриманих на стадії n - 1, поглинаються ядром, яке може зазнати вимушеного поділу.

Якщо k< 1, то цепная реакция просто выдохнется и процесс остановится очень быстро. Именно это и происходит в природной в которой концентрация 235 U настолько мала, что вероятность поглощения одного из нейтронов этим изотопом крайне ничтожна.

Якщо k > 1, то ланцюгова реакція зростатиме до тих пір, поки весь матеріал не буде використаний Це досягається шляхом збагачення природної руди до отримання досить великої концентрації урану-235. Для сферичного зразка величина k збільшується зі зростанням ймовірності поглинання нейтронів, що залежить від радіусу сфери. Тому маса U повинна перевищувати деяку щоб розподіл ядер урану (ланцюгова реакція) могло відбуватися.

Якщо k = 1, має місце керована реакція. Це використовують у ядерних реакторах. Процес контролюється розподілом серед урану стрижнів з кадмію або бору, які поглинають більшу частину нейтронів (ці елементи мають здатність захоплювати нейтрони). Розподіл ядра урану контролюється автоматично шляхом переміщення стрижнів таким чином, щоб величина k залишалася рівною одиниці.