Това, което се нарича реакция на ядрено делене. Деление на урановото ядро

клас

Урок № 42-43

Верижна реакцияделене на уранови ядра. Ядрена енергия и екология. Радиоактивност. Полуживот.

Ядрени реакции

Ядрената реакция е процес на взаимодействие атомно ядрос друго ядро ​​или елементарна частица, придружено от промяна в състава и структурата на ядрото и освобождаване на вторични частици или γ-кванти.

В резултат на ядрените реакции могат да се образуват нови радиоактивни изотопи, които не са на Земята vivo.

Първата ядрена реакция е проведена от Е. Ръдърфорд през 1919 г. в експерименти за откриване на протони в продуктите на ядрения разпад (вж. § 9.5). Ръдърфорд бомбардира азотните атоми с алфа частици. При сблъсък на частиците настъпва ядрена реакция, която протича по следната схема:

По време на ядрени реакции, няколко закони за опазване: импулс, енергия, ъглов импулс, заряд. В допълнение към тези класически закони за запазване, така нареченият закон за запазване важи в ядрените реакции. барионен заряд(тоест броят на нуклоните - протони и неутрони). Има и редица други закони за запазване, специфични за ядрената физика и физиката на елементарните частици.

Ядрените реакции могат да протичат, когато атомите са бомбардирани от бързо заредени частици (протони, неутрони, α-частици, йони). Първата реакция от този вид е проведена с помощта на високоенергийни протони, получени в ускорителя през 1932 г.:

където M A и M B са масите на изходните продукти, M C и M D са масите крайни продуктиреакции. Извиква се стойността ΔM масов дефект. Ядрените реакции могат да протичат с освобождаване (Q > 0) или с поглъщане на енергия (Q< 0). Во втором случае первоначальная кинетическая энергия исходных продуктов должна превышать величину |Q|, которая называется порогом реакции.

За да има ядрена реакция положителен енергиен добив, специфична енергия на свързваненуклоните в ядрата на изходните продукти трябва да са по-малко специфична енергиявръзки на нуклони в ядрата на крайните продукти. Това означава, че ΔM трябва да е положително.

Има два принципно различни начина за освобождаване на ядрена енергия.

1. Деление на тежки ядра. За разлика от радиоактивния разпад на ядрата, придружен от излъчване на α- или β-частици, реакциите на делене са процес, при който нестабилно ядро ​​се разделя на два големи фрагмента със сравними маси.

През 1939 г. немските учени О. Хан и Ф. Щрасман откриват деленето на уранови ядра. Продължавайки изследванията, започнати от Ферми, те открили, че когато уранът е бомбардиран с неутрони, елементите от средната част периодична система– радиоактивни изотопи на барий (Z = 56), криптон (Z = 36) и др.

Уранът се среща в природата под формата на два изотопа: (99,3%) и (0,7%). Когато са бомбардирани от неутрони, ядрата на двата изотопа могат да се разделят на два фрагмента. В този случай реакцията на делене протича най-интензивно с бавни (термични) неутрони, докато ядрата влизат в реакция на делене само с бързи неутрони с енергия от порядъка на 1 MeV.

Основен интерес за ядрената енергияпредставлява реакцията на делене на ядро.В момента са известни около 100 различни изотопа с масови числа от около 90 до 145, произтичащи от деленето на това ядро. Две типични реакции на делене на това ядро ​​имат формата:

Имайте предвид, че в резултат на ядрено делене, инициирано от неутрон, се произвеждат нови неутрони, които могат да причинят реакции на делене в други ядра. Други изотопи на барий, ксенон, стронций, рубидий и др. също могат да бъдат продукти на делене на ядрата на уран-235.

Кинетичната енергия, освободена при деленето на едно ураново ядро, е огромна - около 200 MeV. Енергията, освободена по време на ядрено делене, може да бъде оценена с помощта на специфична енергия на свързваненуклони в ядрото. Специфичната енергия на свързване на нуклони в ядра с масово число A ≈ 240 е около 7,6 MeV/нуклон, докато в ядра с масови числа A = 90–145 специфичната енергия е приблизително равна на 8,5 MeV/нуклон. Следователно деленето на ураново ядро ​​освобождава енергия от порядъка на 0,9 MeV/нуклон, или приблизително 210 MeV на уранов атом. При пълното делене на всички ядра, съдържащи се в 1 g уран, се отделя същата енергия, както при изгарянето на 3 тона въглища или 2,5 тона нефт.

Продуктите на делене на урановото ядро ​​са нестабилни, тъй като съдържат значителен излишък от неутрони. Наистина съотношението N/Z за най-тежките ядра е около 1,6 (фиг. 9.6.2), за ядра с масови числа от 90 до 145 това съотношение е около 1,3–1,4. Следователно фрагментните ядра изпитват серия от последователни β - разпада, в резултат на което броят на протоните в ядрото се увеличава, а броят на неутроните намалява, докато се образува стабилно ядро.

При деленето на ядрото на уран-235, което е причинено от сблъсък с неутрон, се отделят 2 или 3 неутрона. При благоприятни условия тези неутрони могат да ударят други уранови ядра и да ги предизвикат да се разделят. На този етап вече ще се появят от 4 до 9 неутрона, способни да причинят нови разпада на уранови ядра и т. н. Такъв лавинообразен процес се нарича верижна реакция. Схема за развитие верижна реакцияделенето на уранови ядра е показано на фиг. 9.8.1.

Фигура 9.8.1. Схема за развитие на верижна реакция.

За да настъпи верижна реакция е необходимо т.нар коефициент на размножаване на неутронитебеше по-голям от един. С други думи, във всяко следващо поколение трябва да има повече неутрони, отколкото в предишното. Коефициентът на умножение се определя не само от броя на неутроните, произведени при всяко елементарно събитие, но и от условията, при които протича реакцията – част от неутроните могат да се абсорбират от други ядра или да напуснат реакционната зона. Неутроните, освободени при деленето на ядрата на уран-235, могат да причинят само делене на ядра от същия уран, който представлява само 0,7% от естествения уран. Тази концентрация е недостатъчна за започване на верижна реакция. Изотопът също може да абсорбира неутрони, но не се случва верижна реакция.

верижна реакция в уран високо съдържаниеуран-235 може да се развие само когато масата на урана надвишава т.нар критична маса.В малки парченца уран повечето от неутроните, без да удрят някое ядро, излитат. За чист уран-235 критичната маса е около 50 кг. Критичната маса на урана може да се намали многократно с помощта на т.нар модераторинеутрони. Факт е, че неутроните, произведени по време на разпада на урановите ядра, имат твърде високи скорости, а вероятността за улавяне на бавни неутрони от ядра на уран-235 е стотици пъти по-голяма от тази на бързите. Най-добрият модератор на неутрони е тежка вода D 2 O. При взаимодействие с неутрони обикновената вода сама по себе си се превръща в тежка вода.

Добър модератор е и графитът, чиито ядра не абсорбират неутрони. При еластично взаимодействие с деутерий или въглеродни ядра, неутроните се забавят до топлинни скорости.

Използването на неутронни забавители и специална берилиева обвивка, която отразява неутроните, позволява да се намали критичната маса до 250 g.

При атомните бомби неконтролирана ядрена верижна реакция възниква, когато бърза връзкадве парчета уран-235, всяко от които има маса малко под критичната.

Нарича се устройство, което поддържа контролирана реакция на ядрено делене ядрен(или атомен) реактор. Схема ядрен реакторна бавни неутрони е показано на фиг. 9.8.2.

Фигура 9.8.2. Схема на устройството на ядрен реактор.

Ядрената реакция протича в активната зона на реактора, която е пълна с забавител и пробита с пръчки, съдържащи обогатена смес от уранови изотопи с високо съдържание на уран-235 (до 3%). В ядрото се въвеждат контролни пръти, съдържащи кадмий или бор, които интензивно абсорбират неутроните. Въвеждането на пръти в сърцевината ви позволява да контролирате скоростта на верижната реакция.

Ядрото се охлажда от изпомпвана охлаждаща течност, която може да бъде вода или метал с ниска точка на топене (например натрий, който има точка на топене 98 °C). В парогенератора охлаждащата течност се прехвърля Термална енергиявода, превръщайки я в пара високо налягане. Парата се изпраща към турбина, свързана към електрически генератор. От турбината парата влиза в кондензатора. За да се избегне изтичане на радиация, веригите на охлаждащата течност I и парогенератора II работят в затворени цикли.

Турбината на атомна електроцентрала е топлинен двигател, който определя цялостната ефективност на централата в съответствие с втория закон на термодинамиката. За съвременните атомни електроцентрали ефективността е приблизително равна. Следователно за производството на 1000 MW електрическа силатоплинната мощност на реактора трябва да достигне 3000 MW. 2000 MW трябва да бъдат отнесени от водата, охлаждаща кондензатора. Това води до локално прегряване на естествените водни обекти и последващо възникване на екологични проблеми.

Въпреки това, основният проблемсе състои в осигуряване на пълна радиационна безопасност на хората, работещи в атомни електроцентрали и предотвратяване на случайни изпускания на радиоактивни вещества, които се натрупват в големи количества в активната зона на реактора. На този проблем се отделя голямо внимание при разработването на ядрени реактори. Въпреки това, след авариите в някои атомни електроцентрали, по-специално в атомната електроцентрала в Пенсилвания (САЩ, 1979 г.) и в атомната електроцентрала в Чернобил (1986 г.), проблемът за безопасността на ядрената енергия стана особено остър.

Наред с гореописания ядрен реактор, работещ на бавни неутрони, реакторите, работещи без забавител на бързи неутрони, представляват голям практически интерес. В такива реактори ядреното гориво е обогатена смес, съдържаща най-малко 15% от изотопа.Предимството на реакторите с бързи неутрони е, че по време на тяхната работа ядрата на уран-238, абсорбиращи неутрони, чрез два последователни β - разпада се превръщат в плутоний ядра, които след това могат да се използват като ядрено гориво:

Коефициентът на размножаване на такива реактори достига 1,5, тоест за 1 кг уран-235 се получава до 1,5 кг плутоний. Конвенционалните реактори също произвеждат плутоний, но в много по-малки количества.

Първият ядрен реактор е построен през 1942 г. в САЩ под ръководството на Е. Ферми. В нашата страна първият реактор е построен през 1946 г. под ръководството на И. В. Курчатов.

2. термоядрени реакции. Вторият начин за освобождаване на ядрена енергия е свързан с реакциите на синтез. По време на сливането на леките ядра и образуването на ново ядро, голям бройенергия. Това се вижда от зависимостта на специфичната енергия на свързване от масовото число А (фиг. 9.6.1). До ядрата с масов брой около 60, специфичната енергия на свързване на нуклоните нараства с увеличаване на A. Следователно сливането на всяко ядро ​​с A< 60 из более легких ядер должен сопровождаться выделением энергии. Общая масса продуктов реакции синтеза будет в этом случае меньше массы первоначальных частиц.

Реакциите на синтез на леки ядра се наричат термоядрени реакции,тъй като те могат да текат само при много високи температури. За да влязат две ядра в реакция на синтез, те трябва да се приближат на разстояние на действие на ядрени сили от порядъка на 2·10 -15 m, преодолявайки електрическото отблъскване на положителните си заряди. За това, средната кинетична енергия термично движениемолекулите трябва да надвишават потенциалната енергия на кулоновото взаимодействие. Изчисляването на необходимата температура T за това води до стойност от порядъка на 10 8 –10 9 K. Това е изключително висока температура. При тази температура веществото е в напълно йонизирано състояние, което се нарича плазма.

Енергията, освободена при термоядрени реакции на нуклон, е няколко пъти по-висока от специфичната енергия, освободена при верижни реакции на ядрено делене. Така, например, в реакцията на синтез на ядра на деутерий и тритий

Освобождава се 3,5 MeV/нуклон. Общо при тази реакция се отделят 17,6 MeV. Това е една от най-обещаващите термоядрени реакции.

Изпълнение контролирани термоядрени реакциище даде на човечеството нов екологичен и практически неизчерпаем източник на енергия. Въпреки това, получаването на свръхвисоки температури и поддържането на плазмата, загрята до милиард градуса, е най-трудната научна и техническа задача по пътя към прилагането на контролиран термоядрен синтез.

На този етапразвитието на науката и технологиите е само неконтролирана реакция на синтезвъв водородна бомба. Високата температура, необходима за ядрен синтез, се постига тук чрез детониране на конвенционална уранова или плутониева бомба.

Термоядрените реакции играят изключително важна роля в еволюцията на Вселената. Радиационната енергия на Слънцето и звездите е от термоядрен произход.

Радиоактивност

Почти 90% от известните 2500 атомни ядра са нестабилни. Едно нестабилно ядро ​​спонтанно се трансформира в други ядра с излъчване на частици. Това свойство на ядрата се нарича радиоактивност. За големите ядра нестабилността възниква поради конкуренцията между привличането на нуклони от ядрените сили и кулоновото отблъскване на протоните. Няма стабилни ядра със зарядно число Z > 83 и масово число A > 209. Но атомните ядра със значително по-ниски числа Z и A също могат да се окажат радиоактивни. Ако ядрото съдържа значително повече протони от неутроните, тогава се причинява нестабилност чрез излишък от енергията на кулоновото взаимодействие. Ядрата, които биха съдържали голям излишък от неутрони над броя на протоните, са нестабилни поради факта, че масата на неутрона надвишава масата на протона. Увеличаването на масата на ядрото води до увеличаване на неговата енергия.

Феноменът радиоактивност е открит през 1896 г. от френския физик А. Бекерел, който открива, че урановите соли излъчват неизвестна радиация, която може да проникне през бариери, които са непрозрачни за светлината и да предизвикат почерняване на фотографската емулсия. Две години по-късно френските физици М. и П. Кюри откриват радиоактивността на тория и откриват два нови радиоактивни елемента - полоний и радий

През следващите години много физици, включително Е. Ръдърфорд и неговите ученици, се занимават с изследване на природата на радиоактивното излъчване. Установено е, че радиоактивните ядра могат да излъчват частици от три вида: положително и отрицателно заредени и неутрални. Тези три вида радиация се наричат ​​α-, β- и γ-лъчение. На фиг. 9.7.1 е показана схемата на експеримента, която прави възможно откриването на сложния състав на радиоактивното излъчване. В магнитно поле α- и β-лъчите се отклоняват в противоположни посоки, а β-лъчите се отклоняват много повече. γ-лъчите в магнитно поле изобщо не се отклоняват.

Тези три вида радиоактивни лъчения се различават значително един от друг по способността си да йонизират атомите на материята и следователно по своята проникваща сила. α-лъчението има най-малка проникваща способност. Във въздуха, при нормални условия, α-лъчите преминават на разстояние от няколко сантиметра. β-лъчите се абсорбират много по-малко от материята. Те са в състояние да преминават през слой от алуминий с дебелина няколко милиметра. γ-лъчите имат най-висока проникваща способност, като могат да преминат през слой от олово с дебелина 5–10 cm.

През второто десетилетие на 20 век след откритието от Е. Ръдърфорд ядрена структураатоми, беше твърдо установено, че радиоактивността е свойство на атомните ядра. Проучванията показват, че α-лъчите представляват поток от α-частици - хелиеви ядра, β-лъчите са поток от електрони, γ-лъчите представляват къса вълна електромагнитно излъчванес изключително къса дължина на вълната λ< 10 –10 м и вследствие этого – ярко выраженными корпускулярными свойствами, то есть является потоком частиц – γ-квантов.

Алфа разпад. Алфа разпадът е спонтанна трансформация на атомно ядро ​​с броя на протоните Z и неутроните N в друго (дъщерно) ядро, съдържащо броя на протоните Z - 2 и неутроните N - 2. В този случай се излъчва α-частица - ядрото на хелиевия атом. Пример за такъв процес е α-разпадът на радия:

Алфа-частиците, излъчвани от ядрата на радиевите атоми, са използвани от Ръдърфорд в експерименти за разсейване от ядрата на тежките елементи. Скоростта на α-частиците, излъчвани по време на α-разпадането на радиевите ядра, измерена по кривината на траекторията в магнитно поле, е приблизително равна на 1,5 10 7 m/s, а съответната кинетична енергия е около 7,5 10 -13 J (приблизително 4,8 MeV). Тази стойност може лесно да се определи от известни стойностимаси на родителското и дъщерното ядро ​​и ядрото на хелия. Въпреки че скоростта на изхвърлената α-частица е огромна, тя все още е само 5% от скоростта на светлината, така че изчислението може да използва нерелативистичен израз за кинетичната енергия.

Проучванията показват, че радиоактивното вещество може да излъчва α-частици с няколко дискретни енергийни стойности. Това се обяснява с факта, че ядрата могат да бъдат, подобно на атомите, в различни възбудени състояния. Дъщерното ядро ​​може да бъде в едно от тези възбудени състояния по време на α-разпад. При последващия преход на това ядро ​​в основно състояние се излъчва γ-квант. Схемата на α-разпад на радий с излъчване на α-частици с две стойности на кинетичните енергии е показана на фиг. 9.7.2.

По този начин α-разпадът на ядрата в много случаи е придружен от γ-лъчение.

В теорията на α-разпада се приема, че групи, състоящи се от два протона и два неутрона, тоест α-частица, могат да се образуват вътре в ядрата. Родителското ядро ​​е за α-частици потенциална дупка, което е ограничено потенциална бариера. Енергията на α-частицата в ядрото е недостатъчна за преодоляване на тази бариера (фиг. 9.7.3). Изхвърлянето на α-частица от ядрото е възможно само поради квантово механично явление, наречено тунелен ефект. Според квантова механика, има ненулева вероятност частицата да премине под потенциалната бариера. Явлението тунелиране има вероятностен характер.

Бета разпад.При бета разпад от ядрото се излъчва електрон. Вътре в ядрата електроните не могат да съществуват (виж § 9.5), те възникват по време на β-разпад в резултат на трансформацията на неутрон в протон. Този процес може да се осъществи не само вътре в ядрото, но и със свободни неутрони. Средният живот на свободен неутрон е около 15 минути. Когато неутронът се разпада на протон и електрон

Измерванията показаха, че в този процес има очевидно нарушение на закона за запазване на енергията, тъй като общата енергия на протона и електрона, произтичащи от разпада на неутрона, е по-малка от енергията на неутрона. През 1931 г. У. Паули предполага, че по време на разпадането на неутрон се отделя още една частица с нулева маса и заряд, което отнема част от енергията с нея. Новата частица е наречена неутрино(малък неутрон). Поради липсата на заряд и маса в неутрино, тази частица взаимодейства много слабо с атомите на материята, така че е изключително трудно да се открие в експеримент. Йонизиращата способност на неутрино е толкова малка, че един акт на йонизация във въздуха пада върху приблизително 500 km от пътя. Тази частица е открита едва през 1953 г. В момента е известно, че има няколко разновидности на неутрино. В процеса на разпад на неутроните се получава частица, която се нарича електронно антинеутрино. Обозначава се със символа Следователно реакцията на неутронен разпад се записва като

Подобен процес се случва и вътре в ядрата по време на β-разпад. Електрон, образуван в резултат на разпадането на един от ядрените неутрони, незабавно се изхвърля от „родителската къща“ (ядрото) с огромна скорост, която може да се различава от скоростта на светлината само с част от процента. Тъй като разпределението на енергията, освободена по време на β-разпад между електрон, неутрино и дъщерно ядро, е произволно, β-електроните могат да имат различни скорости в широк диапазон.

При β-разпад номер на такса Z се увеличава с едно, докато масовото число A остава непроменено. Дъщерното ядро ​​се оказва ядрото на един от изотопите на елемента, чийто пореден номер в периодичната таблица е с един по-висок от серийния номер на оригиналното ядро. Типичен примерβ-разпадът може да служи като трансформация на ториевия изотон, произтичащ от α-разпадането на урана в паладий

Гама разпад. За разлика от α- и β-радиоактивността, γ-радиоактивността на ядрата не е свързана с промяна във вътрешната структура на ядрото и не е придружена от промяна в заряда или масовите числа. И при α-, и при β-разпад дъщерното ядро ​​може да бъде в някакво възбудено състояние и да има излишък от енергия. Преходът на ядрото от възбудено състояние в основно състояние е придружен от излъчване на един или няколко γ-кванта, чиято енергия може да достигне няколко MeV.

Закон за радиоактивния разпад. Всяка проба от радиоактивен материал съдържа огромен брой радиоактивни атоми. Тъй като радиоактивният разпад е случаен и не зависи от външни условия, тогава законът за намаляване на броя N(t) на неразпадналото k настоящ моментвремето t на ядрата може да служи като важна статистическа характеристика на процеса на радиоактивен разпад.

Нека броят на неразпадналите ядра N(t) се промени с ΔN за кратък период от време Δt< 0. Так как вероятность распада каждого ядра неизменна во времени, что число распадов будет пропорционально количеству ядер N(t) и промежутку времени Δt:

Коефициентът на пропорционалност λ е вероятността за разпадане на ядрото за времето Δt = 1 s. Тази формула означава, че скоростта на промяна на функцията N(t) е право пропорционална на самата функция.

където N 0 е началният брой радиоактивни ядра при t = 0. През времето τ = 1 / λ броят на неразпадналите ядра ще намалее с e ≈ 2,7 пъти. Стойността τ се нарича средно време на животрадиоактивно ядро.

За практическа употреба е удобно да напишете закона за радиоактивния разпад в различна форма, като използвате числото 2 като основа, а не e:

Стойността на T се нарича полуживот. По време на времето Т половината от първоначалния брой радиоактивни ядра се разпада. Стойностите на T и τ са свързани чрез релацията

Времето на полуразпад е основната величина, която характеризира скоростта на радиоактивен разпад. Колкото по-кратък е полуживотът, толкова по-интензивен е разпадът. Така за урана T ≈ 4,5 милиарда години, а за радия T ≈ 1600 години. Следователно активността на радия е много по-висока от тази на урана. Има радиоактивни елементи с период на полуразпад от част от секундата.

Не се среща в естествени условия и завършва с бисмут. Тази серия от радиоактивни разпада се случва в ядрени реактори.

Интересно приложениерадиоактивността е метод за датиране на археологически и геоложки находки чрез концентрацията на радиоактивни изотопи. Най-често използваният метод е радиовъглеродно датиране. В атмосферата се появява нестабилен въглероден изотоп поради ядрени реакции, причинени от космически лъчи. Малък процент от този изотоп се намира във въздуха заедно с обичайния стабилен изотоп. Растенията и другите организми консумират въглерод от въздуха и натрупват и двата изотопа в същото съотношение, както във въздуха. След като растенията умрат, те спират да консумират въглерод и в резултат на β-разпад нестабилният изотоп постепенно се превръща в азот с период на полуразпад от 5730 години. начин точно измерванеОтносителната концентрация на радиоактивен въглерод в останките на древни организми може да определи времето на тяхната смърт.

Радиоактивни лъчения от всякакъв вид (алфа, бета, гама, неутрони), както и електромагнитни лъчения ( рентгенови лъчи) имат много силен биологичен ефект върху живите организми, който се състои в процесите на възбуждане и йонизация на атоми и молекули, изграждащи живите клетки. Под действието на йонизиращо лъчение се разрушават сложни молекули и клетъчни структури, което води до радиационно увреждане на тялото. Ето защо, когато работите с всеки източник на радиация, е необходимо да се вземат всички мерки за радиационна защитахора, които могат да бъдат изложени на радиация.

Въпреки това, човек може да бъде изложен на йонизиращо лъчение в домашни условия. Радонът, инертен, безцветен, радиоактивен газ, може да представлява сериозна опасност за човешкото здраве.Както се вижда от диаграмата, показана на фиг. 9.7.5, радонът е продукт на α-разпадането на радий и има период на полуразпад T = 3,82 дни. Радий се намира в малки количества в почвата, скалите и различни строителни конструкции. Въпреки относително краткия живот, концентрацията на радон непрекъснато се попълва поради нови разпада на радиеви ядра, така че радонът може да се натрупва в затворени пространства. Попадайки в белите дробове, радонът излъчва α-частици и се превръща в полоний, който не е химически инертно вещество. Следва верига от радиоактивни трансформации от урановата серия (фиг. 9.7.5). Според Американската комисия по радиационна безопасност и контрол, средният човек получава 55% йонизиращо лъчение от радон и само 11% от медицински услуги. Приносът на космическите лъчи е около 8%. Общата доза радиация, която човек получава през целия си живот, е в пъти по-малка максимално допустима доза(SDA), който се установява за хора от определени професии, изложени на допълнително излагане на йонизиращи лъчения.

Енергията E, освободена по време на делене, се увеличава с увеличаване на Z 2 /A. Стойността на Z 2 /A = 17 за 89 Y (итрий). Тези. деленето е енергийно благоприятно за всички ядра, по-тежки от итрия. Защо повечето ядра са устойчиви на спонтанно делене? За да се отговори на този въпрос, е необходимо да се разгледа механизмът на разделяне.

По време на деленето формата на ядрото се променя. Ядрото последователно преминава през следните етапи (фиг. 7.1): топка, елипсоид, дъмбел, два крушовидни фрагмента, два сферични фрагмента. Как се променя потенциалната енергия на ядрото на различни етапи на делене?
Първоначално ядро ​​с увеличение rприема формата на все по-удължен елипсоид на въртене. В този случай, поради еволюцията на формата на ядрото, промяната в неговата потенциална енергия се определя от промяната в сумата на повърхностната и кулоновата енергия E p + E k. В този случай повърхностната енергия се увеличава, тъй като повърхността на ядрото се увеличава. Кулоновата енергия намалява с увеличаване на средното разстояние между протоните. Ако с лека деформация, характеризираща се с малък параметър, първоначалното ядро ​​приема формата на аксиално симетричен елипсоид, повърхностната енергия E" p и енергията на Кулон E" k като функции на параметъра на деформация се променят, както следва:

В съотношения (7,4–7,5) Е n и Е k са повърхностната и кулоновата енергия на изходното сферично симетрично ядро.
В областта на тежките ядра 2E n > Ek и сумата от повърхностната и кулоновата енергия нараства с увеличаване. От (7.4) и (7.5) следва, че при малки деформации увеличаването на повърхностната енергия предотвратява по-нататъшно изменение на формата на ядрото и съответно делене.
Съотношението (7.5) е валидно за малки деформации. Ако деформацията е толкова голяма, че ядрото приема формата на дъмбел, тогава повърхностните и кулоновите сили са склонни да отделят ядрото и да придадат на фрагментите сферична форма. По този начин, с постепенно увеличаване на деформацията на ядрото, неговата потенциална енергия преминава през максимум. Графиката на повърхностната и кулоновата енергия на ядрото като функция на r е показана на фиг. 7.2.

Наличието на потенциална бариера предотвратява моментално спонтанно ядрено делене. За да се раздели ядрото, трябва да му бъде дадена енергия Q, която надвишава височината на бариерата на делене H. Максималната потенциална енергия на делящо се ядро ​​E + H (например злато) на два еднакви фрагмента е ≈ 173 MeV , а енергията E, освободена при делене, е 132 MeV. Така по време на деленето на златното ядро ​​е необходимо да се преодолее потенциална бариера с височина около 40 MeV.
Височината на бариерата на делене H е толкова по-голяма, колкото по-малко е съотношението на кулоновата и повърхностната енергия E към /E p в първоначалното ядро. Това съотношение от своя страна се увеличава с увеличаване на параметъра на разделяне Z 2 /A (7.3). Колкото по-тежко е ядрото, толкова по-ниска е височината на бариерата на делене H, тъй като параметърът на делене, при предположението, че Z е пропорционален на A, се увеличава с увеличаване на масовото число:

E k / E p \u003d (a 3 Z 2) / (a ​​2 A) ~ A.

(7.6)

Следователно по-тежките ядра обикновено трябва да бъдат снабдени с по-малко енергия, за да предизвикат ядрено делене.
Височината на бариерата на деленето изчезва при 2E p – Ec = 0 (7.5). В такъв случай

2E p / E k \u003d 2 (a 2 A) / (a ​​3 Z 2),

Z 2 /A \u003d 2a 2 / (a ​​3 Z 2) ≈ 49.

По този начин, според модела на капката, ядра със Z 2 /A > 49 не могат да съществуват в природата, тъй като те трябва спонтанно да се разделят на два фрагмента почти мигновено за характерно ядрено време от порядъка на 10–22 s. Зависимостите на формата и височината на потенциалната бариера H, както и енергията на делене, от стойността на параметъра Z 2 /A са показани на фиг. 7.3.

Ориз. 7.3. Радиална зависимост на формата и височината на потенциалната бариера и енергията на делене E при различни стойности на параметъра Z 2 /A. Стойността на E p + E k се нанася върху вертикалната ос.

Спонтанно ядрено делене със Z 2 /A< 49, для которых высота барьера H не равна нулю, с точки зрения классической физики невозможно. Однако в квантовой механике такое деление возможно за счет туннельного эффекта – прохождения осколков деления через потенциальный барьер. Оно носит название спонтанного деления. Вероятность спонтанного деления растет с увеличением параметра деления Z 2 /A, т. е. с уменьшением высоты барьера деления. В целом период спонтанного деления уменьшается при переходе от менее тяжелых ядер к более тяжелым от T 1/2 >10 21 години за 232 Th до 0,3 s за 260 Rf.
Принудително ядрено делене със Z 2 /A< 49 может быть вызвано их возбуждением фотонами, нейтронами, протонами, дейтронами, a частицами и другими частицами, если вносимая в ядро энергия достаточна для преодоления барьера деления.
Минималната стойност на енергията на възбуждане на съставното ядро ​​E*, образувано при улавянето на неутрон, е равна на енергията на свързване на неутрона в това ядро ​​ε n . Таблица 7.1 сравнява височината на бариерата H и енергията на свързване на неутроните ε n за Th, U, Pu изотопи, образувани след улавяне на неутрони. Енергията на свързване на неутрона зависи от броя на неутроните в ядрото. Поради енергията на сдвояване, енергията на свързване на четен неутрон е по-голяма от енергията на свързване на нечетен неутрон.

Таблица 7.1

Височина на бариера на делене H, енергия на свързване на неутрони ε n

изотоп	Височина на бариера за делене H, MeV	изотоп	Енергия на свързване на неутрони ε n
232th	5.9	233-ти	4.79
233 U	5.5	234 U	6.84
235 U	5.75	236 U	6.55
238 U	5.85	239 U	4.80
239 Pu	5.5	240 Pu	6.53

характерна чертаделенето е, че фрагментите са склонни да имат различни маси. В случай на най-вероятното делене на 235 U, съотношението на масите на фрагмента е средно ~1,5. Масовото разпределение на 235 U фрагменти на делене от термични неутрони е показано на фиг. 7.4. За най-вероятното делене тежък фрагмент има масово число 139, лек - 95. Сред продуктите на делене има фрагменти с A = 72 - 161 и Z = 30 - 65. Вероятността за делене на два фрагмента от еднаква маса не е равна на нула. При делене на 235 U от топлинни неутрони, вероятността за симетрично делене е приблизително три порядъка по-ниска, отколкото в случая на най-вероятното делене на фрагменти с A = 139 и 95.
Асиметричното делене се обяснява със структурата на черупката на ядрото. Ядрото има тенденция да се раздели по такъв начин, че основната част от нуклоните на всеки фрагмент образува най-стабилното магическо ядро.
Съотношението на броя на неутроните към броя на протоните в ядрото 235 U N/Z = 1,55, докато стабилни изотопи, които имат масов номер близо до масовия брой на фрагментите, това съотношение е 1,25 − 1,45. Следователно, фрагментите на делене се оказват силно претоварени с неутрони и трябва да бъдат
β - радиоактивен. Следователно, фрагментите на делене изпитват последователни β - разпадания, а зарядът на първичния фрагмент може да се промени с 4 - 6 единици. По-долу е показана характерна верига от радиоактивни разпадания на 97 Kr - един от фрагментите, образувани по време на деленето на 235 U:

Възбуждането на фрагменти, причинено от нарушение на съотношението на броя на протоните и неутроните, което е характерно за стабилните ядра, също се отстранява поради излъчването на бързи неутрони на делене. Тези неутрони се излъчват от движещи се фрагменти за време по-малко от ~ 10 -14 s. Средно 2-3 бързи неутрона се излъчват при всяко събитие на делене. Техният енергиен спектър е непрекъснат с максимум около 1 MeV. Средната енергия на бърз неутрон е близо до 2 MeV. Излъчването на повече от един неутрон при всяко събитие на делене прави възможно получаването на енергия чрез верижна реакция на ядрено делене.
При най-вероятното делене на 235 U от топлинни неутрони, лек фрагмент (A = 95) придобива кинетична енергия от ≈ 100 MeV, а тежък (A = 139) придобива около 67 MeV. Така общата кинетична енергия на фрагментите е ≈ 167 MeV. Общата енергия на делене в този случай е 200 MeV. Така останалата енергия (33 MeV) се разпределя между други продукти на делене (неутрони, електрони и антинеутрино на β - разпад на фрагменти, γ-лъчение на фрагменти и продукти от техния разпад). Разпределението на енергията на делене между различни продукти по време на деленето на 235 U от топлинни неутрони е дадено в Таблица 7.2.

Таблица 7.2

Разпределение на енергията на делене 235 U термични неутрони

Продуктите на ядрено делене (ЯД) са сложна смес от повече от 200 радиоактивни изотопа от 36 елемента (от цинк до гадолиний). По-голямата част от активността се състои от краткоживеещи радионуклиди. По този начин, след 7, 49 и 343 дни след експлозията, активността на PND намалява съответно с 10, 100 и 1000 пъти в сравнение с активността един час след експлозията. Добивът на най-биологично значимите радионуклиди е даден в Таблица 7.3. Освен PND, радиоактивното замърсяване се причинява от радионуклиди с индуцирана активност (3 H, 14 C, 28 Al, 24 Na, 56 Mn, 59 Fe, 60 Co и др.) и неразделна част от уран и плутоний. Ролята на индуцираната активност при термоядрени експлозии е особено голяма.

Таблица 7.3

Отделяне на някои продукти на делене при ядрена експлозия

Радионуклид	Полуживот	Изход на деление, %	Дейност на 1 Mt, 10 15 Bq
89Sr	50,5 дни	2.56	590
90Sr	29,12 години	3.5	3.9
95 Zr	65 дни	5.07	920
103 Ru	41 дни	5.2	1500
106 Ru	365 дни	2.44	78
131 И	8,05 дни	2.9	4200
136Cs	13,2 дни	0.036	32
137Cs	30 години	5.57	5.9
140 Ba	12,8 дни	5.18	4700
141Cs	32,5 дни	4.58	1600
144Cs	288 дни	4.69	190
3H	12,3 години	0.01	2,6 10 -2

По време на ядрени експлозии в атмосферата значителна част от валежите (до 50% при наземни експлозии) падат близо до зоната за изпитване. Част от радиоактивните вещества се задържат в долната част на атмосферата и под въздействието на вятъра се движат на големи разстояния, оставайки приблизително на същата географска ширина. Престоявайки във въздуха около месец, радиоактивните вещества по време на това движение постепенно падат към Земята. Повечето от радионуклидите се изхвърлят в стратосферата (на височина от 10÷15 km), където са глобално разпръснати и до голяма степен се разпадат.
Различни елементи от дизайна на ядрените реактори имат висока активност в продължение на десетилетия (Таблица 7.4)

Таблица 7.4

Стойности на специфична активност (Bq/t уран) на основните продукти на делене в горивните елементи, отстранени от реактора след три години експлоатация

Радионуклид	0	1 ден	120 дни	Една година		10 години
85 кр	5. 78· 10 14	5. 78· 10 14	5. 66· 10 14	5. 42· 10 14	4. 7· 10 14	3. 03· 10 14
89Sr	4. 04· 10 16	3. 98· 10 16	5. 78· 10 15	2. 7· 10 14	1. 2· 10 10
90Sr	3. 51· 10 15	3. 51· 10 15	3. 48· 10 15	3. 43· 10 15	3. 26· 10 15	2. 75· 10 15
95 Zr	7. 29· 10 16	7. 21· 10 16	1. 99· 10 16	1. 4· 10 15	5. 14· 10 11
95Nb	7. 23· 10 16	7. 23· 10 16	3. 57· 10 16	3. 03· 10 15	1. 14· 10 12
103 Ru	7. 08· 10 16	6. 95· 10 16	8. 55· 10 15	1. 14· 10 14	2. 97· 10 8
106 Ru	2. 37· 10 16	2. 37· 10 16	1. 89· 10 16	1. 19· 10 16	3. 02· 10 15	2. 46· 10 13
131 И	4. 49· 10 16	4. 19· 10 16	1. 5· 10 12	1. 01· 10 3
134Cs	7. 50· 10 15	7. 50· 10 15	6. 71· 10 15	5. 36· 10 15	2. 73· 10 15	2. 6· 10 14
137Cs	4. 69· 10 15	4. 69· 10 15	4. 65· 10 15	4. 58· 10 15	4. 38· 10 15	3. 73· 10 15
140 Ba	7. 93· 10 16	7. 51· 10 16	1. 19· 10 14	2. 03· 10 8
140л	8. 19· 10 16	8. 05· 10 16	1. 37· 10 14	2. 34· 10 8
141 г. н.е	7. 36· 10 16	7. 25· 10 16	5. 73· 10 15	3. 08· 10 13	5. 33· 10 6
144 CE	5. 44· 10 16	5. 44· 10 16	4. 06· 10 16	2. 24· 10 16	3. 77· 10 15	7. 43· 10 12
143 следобед	6. 77· 10 16	6. 70· 10 16	1. 65· 10 14	6. 11· 10 8
147 вечерта	7. 05 10 15	7. 05· 10 15	6. 78· 10 15	5. 68· 10 15	3. 35· 10 14

Разделянето на урановите ядра чрез бомбардирането им с неутрони е открито през 1939 г. от немските учени Ото Хан и Фриц Щрасман.

Ото Хан (1879-1968)
Немски физик, пионер учен в областта на радиохимията. Открива деленето на уран, редица радиоактивни елементи

Фриц Щрасман (1902-1980)
немски физик и химик. Творбите са свързани с ядрена химия, ядрено делене. Даде химическо доказателство за процеса на делене

Нека разгледаме механизма на това явление. Фигура 162, а условно изобразява ядрото на атом уран. Поглъщайки допълнителен неутрон, ядрото се възбужда и деформира, придобивайки удължена форма (фиг. 162, б).

Ориз. 162. Процесът на делене на ураново ядро ​​под въздействието на попаднал в него неутрон

Вече знаете, че в ядрото действат два вида сили: електростатични сили на отблъскване между протоните, които са склонни да разбият ядрото, и ядрени сили на привличане между всички нуклони, поради които ядрото не се разпада. Но ядрените сили са с малък обсег, следователно в удължено ядро ​​те вече не могат да задържат части от ядрото, които са много отдалечени една от друга. Под действието на електростатичните отблъскващи сили ядрото се разкъсва на две части (фиг. 162, в), които се разпръскват в различни посоки с голяма скорост и излъчват 2-3 неутрона.

Оказва се, че част от вътрешната енергия на ядрото се превръща в кинетичната енергия на летящите фрагменти и частици. Фрагментите бързо се забавят в околната среда, в резултат на което тяхната кинетична енергия се преобразува във вътрешната енергия на средата (т.е. в енергията на взаимодействие и топлинно движение на съставните й частици).

С едновременното делене на голям брой уранови ядра вътрешна енергияоколната среда около урана и съответно температурата му се повишават значително (т.е. околната среда се нагрява).

По този начин реакцията на делене на урановите ядра протича с освобождаване на енергия в заобикаляща среда.

Енергията, съдържаща се в ядрата на атомите, е колосална. Например, при пълното делене на всички ядра, присъстващи в 1 g уран, ще се освободи същото количество енергия, което се отделя при изгарянето на 2,5 тона нефт. За преобразуване на вътрешната енергия на атомните ядра в електрическа енергия атомните електроцентрали използват т.нар верижни реакции на ядрено делене.

Нека разгледаме механизма на верижната реакция на ядрено делене на урановия изотоп. Ядрото на урановия атом (фиг. 163) в резултат на улавянето на неутрон беше разделено на две части, като същевременно излъчваше три неутрона. Два от тези неутрони предизвикаха реакцията на делене на още две ядра, като по този начин се получиха четири неутрона. Те от своя страна предизвикаха деленето на четири ядра, след което се образуваха девет неутрона и т.н.

Верижна реакция е възможна поради факта, че по време на деленето на всяко ядро ​​се образуват 2-3 неутрона, които могат да участват в деленето на други ядра.

Фигура 163 показва диаграма на верижна реакция, в която общ бройсвободните неутрони в парче уран се увеличават като лавина с времето. Съответно броят на ядрените деления и освободената енергия за единица време рязко нараства. Следователно такава реакция е експлозивна (провежда се в атомна бомба).

Ориз. 163. Верижна реакция на делене на уранови ядра

Възможен е и друг вариант, при който броят на свободните неутрони намалява с времето. В този случай верижната реакция спира. Следователно такава реакция не може да се използва и за генериране на електричество.

За мирни цели е възможно да се използва енергията само на такава верижна реакция, при която броят на неутроните не се променя с течение на времето.

Как да гарантираме, че броят на неутроните остава постоянен през цялото време? За да се реши този проблем, е необходимо да се знае какви фактори влияят върху увеличаването и намаляването на общия брой свободни неутрони в парче уран, в което протича верижна реакция.

Един такъв фактор е масата на урана. Факт е, че не всеки неутрон, излъчен при ядрено делене, причинява деленето на други ядра (виж фиг. 163). Ако масата (и съответно размерът) на парче уран е твърде малка, тогава много неутрони ще излетят от него, без да имат време да срещнат ядрото по пътя си, ще предизвикат неговото делене и по този начин ще генерират ново поколение неутрони, необходими за продължаване на реакцията. В този случай верижната реакция ще спре. За да не спре реакцията, е необходимо да се увеличи масата на урана до определена стойностНаречен критичен.

Защо верижната реакция става възможна с увеличаване на масата? Колкото по-голяма е масата на едно парче, толкова по-големи са неговите размери и толкова по-дълъг е пътят, който неутроните преминават в него. В този случай вероятността неутроните да срещнат ядра се увеличава. Съответно броят на ядрените деления и броят на излъчените неутрони се увеличават.

При критична маса на урана, броят на неутроните, произведени по време на ядрено делене, става равен на броя на загубените неутрони (т.е. уловени от ядра без делене и избягали от парчето).

Следователно общият им брой остава непроменен. В този случай може да се осъществи верижна реакция дълго време, без да спира и без да придобива експлозивен характер.

• Най-малката маса на урана, при която е възможна верижна реакция, се нарича критична маса.

Ако масата на урана е повече от критична, тогава в резултат на рязко увеличаване на броя на свободните неутрони, верижната реакция води до експлозия, а ако е по-малка от критична, тогава реакцията не протича поради липса на свободни неутрони.

Възможно е да се намали загубата на неутрони (които излитат от урана, без да реагират с ядра) не само чрез увеличаване на масата на урана, но и чрез използване на специална отразяваща обвивка. За да направите това, парче уран се поставя в обвивка, направена от вещество, което отразява добре неутроните (например берилий). Отразени от тази обвивка, неутроните се връщат в урана и могат да участват в ядреното делене.

Има няколко други фактора, от които зависи възможността за верижна реакция. Например, ако парче уран съдържа твърде много примеси от други химични елементи, тогава те поглъщат по-голямата част от неутроните и реакцията спира.

Наличието на така наречения неутронен забавител в урана също влияе върху протичането на реакцията. Факт е, че ядрата на уран-235 най-вероятно ще се разделят под действието на бавни неутрони. Ядреното делене произвежда бързи неутрони. Ако бързите неутрони се забавят, тогава повечето от тях ще бъдат уловени от ядрата на уран-235 с последващо делене на тези ядра. Като модератори се използват вещества като графит, вода, тежка вода (която включва деутерий, изотоп на водорода с масово число 2) и някои други. Тези вещества само забавят неутроните, почти без да ги абсорбират.

По този начин възможността за верижна реакция се определя от масата на урана, количеството примеси в него, наличието на обвивка и модератор и някои други фактори.

Критичната маса на сферично парче уран-235 е приблизително 50 кг. Освен това радиусът му е само 9 см, тъй като уранът има много висока плътност.

Чрез използване на забавител и отразяваща обвивка и намаляване на количеството примеси е възможно да се намали критичната маса на урана до 0,8 kg.

Въпроси

1. Защо ядреното делене може да започне само когато се деформира под действието на погълнатия неутрон?
2. Какво се образува в резултат на ядрено делене?
3. В каква енергия преминава част от вътрешната енергия на ядрото при неговото делене; кинетична енергия на фрагменти от урановото ядро ​​по време на тяхното забавяне в околната среда?
4. Как протича реакцията на делене на урановите ядра - с отделянето на енергия в околната среда или, обратно, с поглъщането на енергия?
5. Опишете механизма на верижна реакция, като използвате фигура 163.
6. Каква е критичната маса на урана?
7. Възможно ли е да възникне верижна реакция, ако масата на урана е по-малка от критичната; по-критично? Защо?

>> делене на уран

§ 107 ДЕЛЯНЕ НА ЯДРА НА УРАН

Само ядрата на някои тежки елементи могат да бъдат разделени на части. По време на деленето на ядрата се излъчват два или три неутрона и -лъчи. В същото време се отделя много енергия.

Откриване на делене на уран.Разделянето на урановите ядра е открито през 1938 г. от немските учени О. Хан и Ф. Щрасман. Те установяват, че при бомбардиране на уран с неутрони възникват елементи от средната част на периодичната система: барий, криптон и т. н. Правилното тълкуване на този факт именно като делене на урановото ядро, което е уловило неутрона, е дадено при началото на 1939 г. от английския физик О. Фриш заедно с австрийския физик Л. Майтнер.

Улавянето на неутрон разрушава стабилността на ядрото. Ядрото се възбужда и става нестабилно, което води до разделянето му на фрагменти. Ядреното делене е възможно, защото масата на покой на тежко ядро ​​е по-голяма от сумата на масите на покой на фрагментите, които възникват по време на деленето. Следователно има освобождаване на енергия, еквивалентно на намаляване на масата на покой, което придружава деленето.

Възможността за делене на тежки ядра може да се обясни и с помощта на графика на зависимостта на специфичната енергия на свързване от масовото число A (виж фиг. 13.11). Специфична енергия на свързване на атомните ядра на елементите, заемащи периодичната система последни места(A 200), приблизително 1 MeV по-малко от специфичната енергия на свързване в ядрата на елементите, разположени в средата на периодичната система (A 100). Следователно процесът на делене на тежки ядра в ядра на елементи в средната част на периодичната система е енергийно благоприятен. След делене, системата преминава в състояние с минимална вътрешна енергия. В края на краищата, колкото по-голяма е енергията на свързване на ядрото, толкова по-голяма е енергията, която трябва да се освободи, когато ядрото възниква и следователно, толкова по-ниска е вътрешната енергия на новообразуваната система.

По време на ядрено делене енергията на свързване на нуклон се увеличава с 1 MeV, а общата освободена енергия трябва да бъде огромна - около 200 MeV. Под никой друг ядрена реакция(не е свързано с делене) такива големи енергии не се освобождават.

Директните измервания на енергията, освободена по време на деленето на урановото ядро, потвърдиха горните съображения и дадоха стойност от 200 MeV. Освен това по-голямата част от тази енергия (168 MeV) пада върху кинетичната енергия на фрагментите. На фигура 13.13 виждате следите от делящи се уранови фрагменти в облачна камера.

Енергията, освободена при ядрено делене, е по-скоро електростатичен, отколкото ядрен произход. Голямата кинетична енергия, която имат фрагментите, възниква поради тяхното кулоново отблъскване.

механизъм на ядрено делене.Процесът на ядрено делене може да се обясни на базата на капковия модел на ядрото. Според този модел куп нуклони наподобява капка заредена течност (фиг. 13.14, а). Ядрените сили между нуклоните са къси, подобно на силите, действащи между течните молекули. Наред със силните сили на електростатично отблъскване между протоните, които са склонни да разкъсат ядрото, съществуват още по-големи ядрени сили на привличане. Тези сили предпазват ядрото от разпадане.

Ядрото на уран-235 е сферично. След като е погълнал допълнителен неутрон, той се възбужда и започва да се деформира, придобивайки удължена форма (фиг. 13.14, б). Ядрото ще се разтяга, докато силите на отблъскване между половините на удълженото ядро ​​започнат да надделяват над силите на привличане, действащи в провлака (фиг. 13.14, в). След това се разкъсва на две части (фиг. 13.14, г).

Под действието на кулоновите отблъскващи сили тези фрагменти се разлитат със скорост, равна на 1/30 от скоростта на светлината.

Емисия на неутрони по време на делене.Основният факт на ядреното делене е излъчването на два или три неутрона по време на делене. Това направи възможно практическа употребавътрешноядрена енергия.

Възможно е да се разбере защо се излъчват свободни неутрони от следните съображения. Известно е, че съотношението на броя на неутроните към броя на протоните в стабилните ядра се увеличава с увеличаване на атомния номер. Следователно в фрагментите, които възникват по време на делене, относителният брой неутрони се оказва по-голям от допустимото за ядрата на атомите, разположени в средата на периодичната таблица. В резултат на това в процеса на делене се отделят няколко неутрона. Тяхната енергия е различни значения- от няколко милиона електрон волта до много малки, близки до нула.

Разделянето обикновено става на фрагменти, чиито маси се различават около 1,5 пъти. Тези фрагменти са силно радиоактивни, тъй като съдържат излишно количество неутрони. В резултат на поредица от последователни разпада, в крайна сметка се получават стабилни изотопи.

В заключение отбелязваме, че има и спонтанно делене на уранови ядра. Открит е от съветските физици Г. Н. Флеров и К. А. Петржак през 1940 г. Периодът на полуразпад за спонтанно делене е 10 16 години. Това е два милиона пъти по-дълго от периода на полуразпад на урана.

Реакцията на ядрено делене е придружена от освобождаване на енергия.

Съдържание на урока резюме на урокаподкрепа рамка презентация урок ускорителни методи интерактивни технологии Практика задачи и упражнения самоизпитване семинари, обучения, казуси, куестове домашна работа дискусия въпроси реторични въпроси от ученици Илюстрации аудио, видео клипове и мултимедияснимки, картини графики, таблици, схеми хумор, анекдоти, вицове, комикси притчи, поговорки, кръстословици, цитати Добавки резюметастатии чипове за любознателни ясли учебници основни и допълнителен речник на термини други Подобряване на учебниците и уроцитекоригиране на грешки в учебникаактуализиране на фрагмент в учебника, елементи на иновация в урока, замяна на остарелите знания с нови Само за учители перфектни уроци календарен планза година насокидискусионни програми Интегрирани уроци

През 1934 г. Е. Ферми решава да получи трансуранови елементи чрез облъчване на 238 U с неутрони. Идеята на Е. Ферми беше, че в резултат на β - разпадането на изотопа 239 U, химичен елементс атомен номер Z = 93. Не беше възможно обаче да се идентифицира образуването на 93-ия елемент. Вместо това, в резултат на радиохимичния анализ на радиоактивни елементи, извършен от O. Hahn и F. Strassmann, беше показано, че един от продуктите на облъчването на уран с неутрони е барий (Z = 56) - химичен елемент със средно атомно тегло , докато според допускането на теорията на Ферми е трябвало да се получат трансуранови елементи.
Л. Майтнер и О. Фриш предполагат, че в резултат на улавянето на неутрон от ураново ядро, съставното ядро ​​се разпада на две части

92 U + n → 56 Ba + 36 Kr + xn.

Процесът на делене на уран е придружен от появата на вторични неутрони (x > 1), които могат да причинят деленето на други уранови ядра, което отваря потенциала за възникване на верижна реакция на делене - един неутрон може да доведе до разклонена верига на делене на уранови ядра. В този случай броят на отделените ядра трябва да нараства експоненциално. Н. Бор и Дж. Уилър изчислиха критичната енергия, необходима за разцепването на ядрото 236 U, образувано в резултат на улавянето на неутрон от изотопа 235 U. Тази стойност е 6,2 MeV, което е по-малко от енергията на възбуждане на изотопа 236 U, образуван при улавянето на топлинен неутрон 235 U. Следователно, когато се улавят топлинни неутрони, е възможна верижна реакция на делене от 235 U. За повечето общ изотоп 238 U, критичната енергия е 5,9 MeV, докато при улавяне на топлинен неутрон енергията на възбуждане на полученото ядро ​​239 U е само 5,2 MeV. Следователно верижната реакция на делене на най-разпространения в природата изотоп 238 U под действието на топлинни неутрони е невъзможна. При едно събитие на делене се освобождава енергия от ≈ 200 MeV (за сравнение, в химична реакцияизгаряне в един акт на реакцията, се освобождава енергия от ≈ 10 eV). Възможността за създаване на условия за верижна реакция на делене отвори перспективи за използване на енергията на верижната реакция за създаване на атомни реактори и атомни оръжия. Първият ядрен реактор е построен от Е. Ферми в САЩ през 1942 г. В СССР първият ядрен реактор е пуснат под ръководството на И. Курчатов през 1946 г. През 1954 г. в Обнинск започва работа първата в света атомна електроцентрала. В момента електрическата енергия се генерира в около 440 ядрени реактора в 30 страни по света.
През 1940 г. Г. Флеров и К. Петржак откриват спонтанното делене на урана. Следните цифри свидетелстват за сложността на експеримента. Частичният период на полуразпад по отношение на спонтанното делене на изотопа 238 U е 10 16 –10 17 години, докато периодът на разпадане на изотопа 238 U е 4,5∙10 9 години. Основният канал за разпад за изотопа 238 U е α-разпад. За да се наблюдава спонтанното делене на изотопа 238 U, беше необходимо да се регистрира едно събитие на делене на фона на 10 7 –10 8 събития на α-разпад.
Вероятността за спонтанно делене се определя главно от пропускливостта на бариерата на деленето. Вероятността за спонтанно делене се увеличава с увеличаване на заряда на ядрото, т.к. това увеличава параметъра на разделяне Z 2 /A. В Z изотопи< 92-95 деление происходит преимущественно с образованием двух осколков деления с отношением масс тяжёлого и лёгкого осколков 3:2. В изотопах Z >100 преобладава симетричното делене с образуването на фрагменти със същата маса. С увеличаване на заряда на ядрото, делът на спонтанното делене се увеличава в сравнение с α-разпада.

изотоп	Полуживот	канали на разпад
235 U	7.04 10 8 години	α (100%), SF (7 10 -9%)
238 U	4,47 10 9 години	α (100%), SF (5,5 10 -5%)
240 Pu	6,56 10 3 години	α (100%), SF (5,7 10 -6%)
242 Pu	3,75 10 5 години	α (100%), SF (5,5 10 -4%)
246 см	4,76 10 3 години	α (99,97%), SF (0,03%)
252 вж	2,64 години	α (96,91%), SF (3,09%)
254 вж	60,5 години	α (0,31%), SF (99,69%)
256 вж	12,3 години	α (7,04 10 -8%), SF (100%)

Ядрено делене. История

1934 г- Е. Ферми, облъчвайки урана с топлинни неутрони, открива радиоактивни ядра сред продуктите на реакцията, чиято природа не може да бъде установена.
Л. Силард изложи идеята за ядрена верижна реакция.

1939 г− O. Hahn и F. Strassmann откриват барий сред реакционните продукти.
Л. Майтнер и О. Фриш обявиха за първи път, че под действието на неутрони уранът се разделя на два фрагмента, сравними по маса.
Н. Бор и Дж. Уилър дадоха количествена интерпретация на ядреното делене чрез въвеждане на параметъра на делене.
Я. Френкел разработва теорията на капките за ядрено делене от бавни неутрони.
L. Szilard, E. Wigner, E. Fermi, J. Wheeler, F. Joliot-Curie, Ya. Zeldovich, Yu. Khariton обосноваха възможността за възникване на верижна реакция на ядрено делене в уран.

1940 г− Г. Флеров и К. Петржак откриват феномена на спонтанно делене на урановите ядра.

1942 г− Е. Ферми проведе контролирана верижна реакция на делене в първия атомен реактор.

1945 г− Първият тест на ядрено оръжие (Невада, САЩ). Атомни бомби са хвърлени върху японските градове Хирошима (6 август) и Нагасаки (9 август).

1946 г− Под ръководството на И.В. Курчатов е пуснат първият реактор в Европа.

1954 г− Пуснала е първата в света атомна електроцентрала (Обнинск, СССР).

Ядрено делене.От 1934 г. Е. Ферми започва да използва неутрони за бомбардиране на атоми. Оттогава броят на стабилните или радиоактивни ядра, получени чрез изкуствена трансформация, се е увеличил до много стотици и почти всички места в периодичната таблица са запълнени с изотопи.
Атомите, възникващи при всички тези ядрени реакции, заемат същото място в периодичната таблица като бомбардирания атом или съседни места. Следователно, доказателството от Хан и Щрасман през 1938 г. за факта, че когато неутроните бомбардират последния елемент от периодичната система−уран−се разпадат на елементи, които се намират в средните части на периодичната система. Изпълнение тук различни видоверазпад. Атомите, които възникват, са предимно нестабилни и незабавно се разпадат допълнително; някои имат полуживот, измерен в секунди, така че Ган трябваше да кандидатства аналитичен методКюри да удължи толкова бърз процес. Важно е да се отбележи, че елементите пред урана, протактиний и торий, също показват подобен разпад под действието на неутрони, въпреки че е необходима по-висока неутронна енергия, за да започне разпадането, отколкото в случая на урана. Заедно с това през 1940 г. Г. Н. Флеров и К. А. Петржак откриват спонтанно делене на урановото ядро ​​с най-дълъг период на полуразпад, известен дотогава: около 2· 10 15 години; този факт става ясен поради отделяните в процеса неутрони. Така че беше възможно да се разбере защо "естествената" периодична система завършва с трите наименувани елемента. Вече са известни трансуранови елементи, но те са толкова нестабилни, че бързо се разпадат.
Разделянето на урана с помощта на неутрони сега прави възможно използването на атомна енергия, която вече е била представяна от мнозина като „мечта на Жул Верн“.

М. Лауе, История на физиката

1939 O. Hahn и F. Strassmann, облъчващи уранови соли с термични неутрони, откриват сред продуктите на реакцията барий (Z = 56)

Ото Гън (1879 – 1968)

Ядреното делене е разделянето на ядрото на две (рядко три) ядра с подобни маси, които се наричат ​​фрагменти на делене. При деленето възникват и други частици - неутрони, електрони, α-частици. В резултат на деленето се освобождава енергия от ~200 MeV. Разделянето може да бъде спонтанно или принудено под действието на други частици, най-често неутрони.
Характерна особеност на деленето е, че фрагментите на делене, като правило, се различават значително по маса, т.е. преобладава асиметричното делене. По този начин, в случай на най-вероятното делене на урановия изотоп 236 U, съотношението на масите на фрагмента е 1,46. Тежък фрагмент има масов номер 139 (ксенон), а лек фрагмент има масов номер 95 (стронций). Като се вземе предвид излъчването на два бързи неутрона, разглежданата реакция на делене има формата

Нобелова награда по химия
1944 - О. Ган.
За откриването на реакцията на делене на уранови ядра от неутрони.

Части на делене

Зависимост на средните маси на леки и тежки групи фрагменти от масата на делящото се ядро.

Откриване на ядрено делене. 1939 г

Дойдох в Швеция, където Лизе Майтнер страдаше от самота, и като предан племенник реших да я посетя по Коледа. Тя живееше в малкия хотел Kungälv близо до Гьотеборг. Хванах я на закуска. Тя обмисли писмото, което току-що получи от Хан. Бях много скептичен относно съдържанието на писмото, в което се съобщаваше образуването на барий чрез облъчване на уран с неутрони. Въпреки това, тя беше привлечена от тази възможност. Вървяхме в снега, тя вървеше, аз карах ски (тя каза, че може да направи така, без да изостава от мен, и тя го доказа). В края на разходката вече успяхме да формулираме някои заключения; ядрото не се разцепи и парчета не излетяха от него, но това беше процес, който по-скоро приличаше на капковия модел на ядрото на Бор; като капка, ядрото може да се удължи и да се раздели. След това проучих как електрически заряднуклони намалява повърхностното напрежение, което, както успях да установя, пада до нула при Z = 100 и може би е много малко за урана. Лиз Майтнер се занимаваше с определянето на енергията, освободена по време на всеки разпад поради дефект на масата. Тя имаше много ясна представа за кривата на масовия дефект. Оказа се, че поради електростатично отблъскване елементите на делене ще придобият енергия от около 200 MeV и това просто съответства на енергията, свързана с дефект на масата. Следователно процесът би могъл да протече чисто класически, без да включва концепцията за преминаване през потенциална бариера, която, разбира се, тук би се оказала безполезна.
Прекарахме два-три дни заедно по Коледа. След това се върнах в Копенхаген и едва успях да кажа на Бор за нашата идея точно в момента, когато той вече се качваше на парахода за САЩ. Спомням си как той се плесна по челото, щом започнах да говоря и възкликна: „О, какви глупаци бяхме! Трябваше да забележим това по-рано." Но той не забеляза и никой не забеляза.
Лиз Майтнер и аз написахме статия. В същото време поддържахме непрекъсната връзка по междуселищен телефон Копенхаген - Стокхолм.

О. Фриш, Мемоари. UFN. 1968. Т. 96, бр. 4, с. 697.

Спонтанно ядрено делене

В експериментите, описани по-долу, използвахме метода, предложен за първи път от Фриш за записване на процесите на ядрено делене. Йонизационна камера с плочи, покрити със слой от уранов оксид, е свързана към линеен усилвател, настроен по такъв начин, че α-частиците, излъчвани от урана, не се регистрират от системата; импулсите от фрагментите, които са много по-големи от импулсите от α-частиците, отключват изходния тиратрон и се считат за механично реле.
Специално проектирана е йонизационна камера под формата на многослоен плосък кондензатор с с обща площ 15 плочи на 1000 см. Плочите, разположени на разстояние 3 mm една от друга, са покрити със слой от уранов оксид 10-20 mg/cm 2 .
В първите експерименти с усилвател, настроен да брои фрагментите, беше възможно да се наблюдават спонтанни (при липса на източник на неутрони) импулси на реле и осцилоскоп. Броят на тези импулси беше малък (6 на 1 час) и следователно е съвсем разбираемо, че това явление не може да се наблюдава с камери от обичайния тип ...
Склонни сме да мислим така ефектът, който наблюдаваме, трябва да се припише на фрагментите, получени от спонтанното делене на уран...

Спонтанното делене трябва да се припише на един от невъзбудените U изотопи с период на полуразпад, получен от оценка на нашите резултати:

У 238 – 10 16 ~ 10 17 години,
У 235 – 10 14 ~ 10 15 години,
У 234 – 10 12 ~ 10 13 години.

Изотопно разпадане 238 У

Спонтанно ядрено делене

Време на полуразпад на спонтанно делящи се изотопи Z = 92 - 100

Първата експериментална система с уран-графитна решетка е построена през 1941 г. под ръководството на Е. Ферми. Това беше графитен куб с ребро с дължина 2,5 м, съдържащ около 7 тона уранов оксид, затворен в железни съдове, които бяха поставени в куба на еднакво разстояние един от друг. На дъното на уран-графитната решетка беше поставен RaBe неутронен източник. Коефициентът на умножение в такава система е ≈0,7. Урановият оксид съдържаше от 2 до 5% примеси. По-нататъшни усилия бяха насочени към получаване на повече чисти материалии до май 1942 г. се получава уранов оксид, в който примесът е под 1%. За да се осигури верижна реакция на делене, беше необходимо да се използва голямо количество графит и уран - от порядъка на няколко тона. Примесите трябваше да бъдат по-малко от няколко части на милион. Реакторът, сглобен в края на 1942 г. от Ферми в Чикагския университет, имаше формата на непълен сфероид, отрязан отгоре. Съдържаше 40 тона уран и 385 тона графит. Вечерта на 2 декември 1942 г., след отстраняването на пръчките за поглъщане на неутрони, е открито, че вътре в реактора протича ядрена верижна реакция. Измереният коефициент е 1,0006. Първоначално реакторът работеше при ниво на мощност от 0,5 W. До 12 декември мощността му беше увеличена до 200 вата. Впоследствие реакторът беше преместен в повече безопасно място, а мощността му е увеличена до няколко kW. В този случай реакторът консумира 0,002 g уран-235 на ден.

Първият ядрен реактор в СССР

Сградата за първия изследователски ядрен реактор F-1 в СССР е готова до юни 1946 г.
След като бяха проведени всички необходими експерименти, беше разработена системата за управление и защита на реактора, бяха установени размерите на реактора, бяха проведени всички необходими експерименти с модели на реактори, беше определена неутронната плътност на няколко модела, бяха получени графитни блокове (т.нар. ядрена чистота) и (след неутронно-физични проверки) уранови блокове, през ноември 1946 г. започва изграждането на реактора F-1.
Общият радиус на реактора е 3,8 м. Той изисква 400 тона графит и 45 тона уран. Реакторът е сглобен на пластове и в 15 ч. на 25 декември 1946 г. е сглобен последният, 62-ри слой. След извличането на т. нар. аварийни пръти, управляващият прът е вдигнат, неутронната плътност започва да се отчита и в 18:00 часа на 25 декември 1946 г. оживява първият реактор в СССР. Това беше вълнуваща победа за учените - създателите на ядрен реактор и всичко останало съветски хора. Година и половина по-късно, на 10 юни 1948 г., индустриалният реактор с вода в каналите достига критично състояние и скоро започва индустриалното производство на нов вид ядрено гориво - плутоний.