यूरेनियम नाभिक के विखंडन का कारण क्या है? यूरेनियम नाभिक का विखंडन

कक्षा

पाठ #42-43

यूरेनियम नाभिक के विखंडन की श्रृंखला प्रतिक्रिया। परमाणु ऊर्जा और पारिस्थितिकी। रेडियोधर्मिता। हाफ लाइफ।

परमाणु प्रतिक्रियाएं

एक परमाणु प्रतिक्रिया बातचीत की एक प्रक्रिया है परमाणु नाभिकदूसरे कोर के साथ or प्राथमिक कण, नाभिक की संरचना और संरचना में परिवर्तन और द्वितीयक कणों या -क्वांटा की रिहाई के साथ।

परमाणु प्रतिक्रियाओं के परिणामस्वरूप, नए रेडियोधर्मी समस्थानिक बन सकते हैं जो पृथ्वी पर नहीं हैं विवो.

पहली परमाणु प्रतिक्रिया ई. रदरफोर्ड द्वारा 1919 में परमाणु क्षय उत्पादों में प्रोटॉन का पता लगाने के प्रयोगों में की गई थी (देखें 9.5)। रदरफोर्ड ने अल्फा कणों के साथ नाइट्रोजन परमाणुओं पर बमबारी की। जब कण टकराए, तो एक परमाणु प्रतिक्रिया हुई, जो निम्नलिखित योजना के अनुसार आगे बढ़ी:

परमाणु प्रतिक्रियाओं के दौरान, कई संरक्षण कानून: संवेग, ऊर्जा, कोणीय संवेग, आवेश। इन शास्त्रीय संरक्षण कानूनों के अलावा, तथाकथित संरक्षण कानून परमाणु प्रतिक्रियाओं में सही है। बेरियन चार्ज(अर्थात, न्यूक्लियंस की संख्या - प्रोटॉन और न्यूट्रॉन)। कई अन्य संरक्षण कानूनों के लिए विशिष्ट परमाणु भौतिकीऔर प्राथमिक कण भौतिकी।

परमाणु प्रतिक्रियाएं तब आगे बढ़ सकती हैं जब परमाणुओं पर तेजी से आवेशित कणों (प्रोटॉन, न्यूट्रॉन, α-कण, आयन) द्वारा बमबारी की जाती है। इस तरह की पहली प्रतिक्रिया 1932 में त्वरक पर प्राप्त उच्च-ऊर्जा प्रोटॉन का उपयोग करके की गई थी:

जहां एम ए और एम बी प्रारंभिक उत्पादों के द्रव्यमान हैं, एम सी और एम डी द्रव्यमान हैं अंतिम उत्पादप्रतिक्रियाएं। मान M कहलाता है सामूहिक दोष. परमाणु प्रतिक्रियाएं रिलीज (क्यू> 0) या ऊर्जा के अवशोषण (क्यू .) के साथ आगे बढ़ सकती हैं< 0). Во втором случае первоначальная кинетическая энергия исходных продуктов должна превышать величину |Q|, которая называется порогом реакции.

सकारात्मक ऊर्जा प्राप्त करने के लिए परमाणु प्रतिक्रिया के लिए, विशिष्ट बाध्यकारी ऊर्जाप्रारंभिक उत्पादों के नाभिक में न्यूक्लियॉन अंतिम उत्पादों के नाभिक में न्यूक्लियंस की विशिष्ट बाध्यकारी ऊर्जा से कम होना चाहिए। इसका मतलब है कि ΔM सकारात्मक होना चाहिए।

दो मौलिक हैं विभिन्न तरीकेपरमाणु ऊर्जा की रिहाई।

1. भारी नाभिकों का विखंडन. नाभिक के रेडियोधर्मी क्षय के विपरीत, α- या β-कणों के उत्सर्जन के साथ, विखंडन प्रतिक्रियाएं एक ऐसी प्रक्रिया है जिसमें एक अस्थिर नाभिक तुलनीय द्रव्यमान के दो बड़े टुकड़ों में विभाजित होता है।

1939 में, जर्मन वैज्ञानिकों ओ। हैन और एफ। स्ट्रैसमैन ने यूरेनियम नाभिक के विखंडन की खोज की। फर्मी द्वारा शुरू किए गए शोध को जारी रखते हुए, उन्होंने पाया कि जब यूरेनियम पर न्यूट्रॉन की बमबारी की जाती है, तो मध्य भाग के तत्व आवधिक प्रणाली- बेरियम (Z = 56), क्रिप्टन (Z = 36), आदि के रेडियोधर्मी समस्थानिक।

यूरेनियम प्रकृति में दो समस्थानिकों के रूप में पाया जाता है: (99.3%) और (0.7%)। जब न्यूट्रॉन द्वारा बमबारी की जाती है, तो दोनों समस्थानिकों के नाभिक दो टुकड़ों में विभाजित हो सकते हैं। इस मामले में, विखंडन प्रतिक्रिया धीमी (थर्मल) न्यूट्रॉन के साथ सबसे अधिक तीव्रता से आगे बढ़ती है, जबकि नाभिक केवल 1 MeV के क्रम की ऊर्जा के साथ तेज न्यूट्रॉन के साथ विखंडन प्रतिक्रिया में प्रवेश करता है।

के लिए मुख्य रुचि परमाणु शक्तिएक नाभिक की विखंडन प्रतिक्रिया का प्रतिनिधित्व करता है। वर्तमान में, लगभग 90 से 145 तक द्रव्यमान संख्या वाले लगभग 100 विभिन्न समस्थानिक ज्ञात हैं, जो इस नाभिक के विखंडन से उत्पन्न होते हैं। इस नाभिक की दो विशिष्ट विखंडन प्रतिक्रियाओं का रूप है:

ध्यान दें कि न्यूट्रॉन द्वारा शुरू किए गए परमाणु विखंडन के परिणामस्वरूप, नए न्यूट्रॉन उत्पन्न होते हैं जो अन्य नाभिकों में विखंडन प्रतिक्रियाओं का कारण बन सकते हैं। यूरेनियम-235 नाभिक के विखंडन उत्पाद बेरियम, क्सीनन, स्ट्रोंटियम, रूबिडियम आदि के अन्य समस्थानिक भी हो सकते हैं।

एक यूरेनियम नाभिक के विखंडन के दौरान जारी गतिज ऊर्जा बहुत अधिक होती है - लगभग 200 MeV। परमाणु विखंडन के दौरान जारी ऊर्जा का अनुमान लगाया जा सकता है विशिष्ट बाध्यकारी ऊर्जानाभिक में नाभिक। नाभिक में नाभिकों की विशिष्ट बंधन ऊर्जा के साथ जन अंक A 240 लगभग 7.6 MeV/न्यूक्लियॉन है, जबकि द्रव्यमान संख्या A = 90-145 वाले नाभिक में विशिष्ट ऊर्जा लगभग 8.5 MeV/न्यूक्लियॉन है। इसलिए, यूरेनियम नाभिक के विखंडन से 0.9 MeV/न्यूक्लियॉन या लगभग 210 MeV प्रति यूरेनियम परमाणु के क्रम की ऊर्जा निकलती है। 1 ग्राम यूरेनियम में निहित सभी नाभिकों के पूर्ण विखंडन के साथ, 3 टन कोयले या 2.5 टन तेल के दहन के दौरान उतनी ही ऊर्जा निकलती है।

यूरेनियम नाभिक के विखंडन उत्पाद अस्थिर होते हैं, क्योंकि उनमें न्यूट्रॉन की एक महत्वपूर्ण अतिरिक्त संख्या होती है। दरअसल, सबसे भारी नाभिक के लिए अनुपात N / Z लगभग 1.6 (चित्र 9.6.2) है, नाभिक के लिए द्रव्यमान संख्या 90 से 145 तक यह अनुपात लगभग 1.3-1.4 है। इसलिए, खंड नाभिक लगातार β-क्षय की एक श्रृंखला का अनुभव करते हैं, जिसके परिणामस्वरूप नाभिक में प्रोटॉन की संख्या बढ़ जाती है, और एक स्थिर नाभिक बनने तक न्यूट्रॉन की संख्या घट जाती है।

यूरेनियम-235 के एक नाभिक के विखंडन में, जो एक न्यूट्रॉन के साथ टकराव के कारण होता है, 2 या 3 न्यूट्रॉन निकलते हैं। पर अनुकूल परिस्थितियांये न्यूट्रॉन अन्य यूरेनियम नाभिकों से टकरा सकते हैं और उनके विखंडन का कारण बन सकते हैं। इस स्तर पर, 4 से 9 न्यूट्रॉन पहले से ही दिखाई देंगे, जो यूरेनियम नाभिक आदि के नए क्षय करने में सक्षम हैं। इस तरह के हिमस्खलन जैसी प्रक्रिया को चेन रिएक्शन कहा जाता है। विकास योजना श्रृंखला अभिक्रियायूरेनियम नाभिक का विखंडन अंजीर में दिखाया गया है। 9.8.1.

चित्र 9.8.1। एक श्रृंखला प्रतिक्रिया के विकास की योजना।

एक श्रृंखला प्रतिक्रिया होने के लिए, यह आवश्यक है कि तथाकथित न्यूट्रॉन गुणन कारकएक से बड़ा था। दूसरे शब्दों में, प्रत्येक बाद की पीढ़ी में पिछली पीढ़ी की तुलना में अधिक न्यूट्रॉन होने चाहिए। गुणन कारक न केवल प्रत्येक प्राथमिक घटना में उत्पन्न न्यूट्रॉन की संख्या से निर्धारित होता है, बल्कि उन परिस्थितियों से भी होता है जिनके तहत प्रतिक्रिया होती है - कुछ न्यूट्रॉन अन्य नाभिक द्वारा अवशोषित किए जा सकते हैं या प्रतिक्रिया क्षेत्र छोड़ सकते हैं। यूरेनियम -235 नाभिक के विखंडन के दौरान जारी न्यूट्रॉन केवल उसी यूरेनियम के नाभिक के विखंडन का कारण बन सकते हैं, जो प्राकृतिक यूरेनियम का केवल 0.7% है। यह एकाग्रता एक श्रृंखला प्रतिक्रिया शुरू करने के लिए अपर्याप्त है। एक आइसोटोप भी न्यूट्रॉन को अवशोषित कर सकता है, लेकिन कोई श्रृंखला प्रतिक्रिया नहीं होती है।

यूरेनियम में चेन रिएक्शन उच्च सामग्रीयूरेनियम-235 तभी विकसित हो सकता है जब यूरेनियम का द्रव्यमान तथाकथित से अधिक हो क्रांतिक द्रव्यमान।यूरेनियम के छोटे-छोटे टुकड़ों में अधिकांश न्यूट्रॉन बिना किसी नाभिक से टकराए बाहर निकल जाते हैं। शुद्ध यूरेनियम-235 के लिए क्रांतिक द्रव्यमान लगभग 50 किग्रा है। तथाकथित का उपयोग करके यूरेनियम के महत्वपूर्ण द्रव्यमान को कई गुना कम किया जा सकता है मध्यस्थोंन्यूट्रॉन तथ्य यह है कि यूरेनियम नाभिक के क्षय के दौरान उत्पन्न न्यूट्रॉन की गति बहुत अधिक होती है, और यूरेनियम -235 नाभिक द्वारा धीमी गति से न्यूट्रॉन को पकड़ने की संभावना तेज वाले की तुलना में सैकड़ों गुना अधिक होती है। सबसे अच्छा न्यूट्रॉन मॉडरेटर है खारा पानीडी 2 ओ। न्यूट्रॉन के साथ बातचीत करते समय, साधारण पानी ही भारी पानी में बदल जाता है।

एक अच्छा मॉडरेटर ग्रेफाइट भी होता है, जिसके नाभिक न्यूट्रॉन को अवशोषित नहीं करते हैं। ड्यूटेरियम या कार्बन नाभिक के साथ लोचदार संपर्क पर, न्यूट्रॉन थर्मल वेग तक धीमा हो जाते हैं।

न्यूट्रॉन मॉडरेटर और एक विशेष बेरिलियम शेल का उपयोग जो न्यूट्रॉन को दर्शाता है, महत्वपूर्ण द्रव्यमान को 250 ग्राम तक कम करना संभव बनाता है।

पर परमाणु बमअनियंत्रित परमाणु श्रृंखला अभिक्रिया तब होती है जब तेज़ कनेक्शनयूरेनियम -235 के दो टुकड़े, जिनमें से प्रत्येक का द्रव्यमान महत्वपूर्ण से थोड़ा नीचे है।

एक उपकरण जो एक नियंत्रित परमाणु विखंडन प्रतिक्रिया को बनाए रखता है, कहलाता है नाभिकीय(या परमाणु) रिएक्टर. धीमी न्यूट्रॉन पर परमाणु रिएक्टर की योजना को अंजीर में दिखाया गया है। 9.8.2.

चित्र 9.8.2। परमाणु रिएक्टर के उपकरण की योजना।

परमाणु प्रतिक्रिया रिएक्टर कोर में होती है, जो एक मॉडरेटर से भरा होता है और यूरेनियम -235 (3% तक) की उच्च सामग्री के साथ यूरेनियम समस्थानिकों के समृद्ध मिश्रण वाली छड़ से छेदा जाता है। कैडमियम या बोरॉन युक्त नियंत्रण छड़ें कोर में पेश की जाती हैं, जो न्यूट्रॉन को गहन रूप से अवशोषित करती हैं। कोर में छड़ की शुरूआत आपको श्रृंखला प्रतिक्रिया की गति को नियंत्रित करने की अनुमति देती है।

कोर को एक पंप किए गए शीतलक द्वारा ठंडा किया जाता है, जो कम गलनांक वाला पानी या धातु हो सकता है (उदाहरण के लिए, सोडियम, जिसका गलनांक 98 ° C होता है)। भाप जनरेटर में, शीतलक स्थानांतरित होता है तापीय ऊर्जापानी, इसे भाप में बदलना अधिक दबाव. भाप को विद्युत जनरेटर से जुड़े टर्बाइन में भेजा जाता है। टरबाइन से भाप कंडेनसर में प्रवेश करती है। विकिरण के रिसाव से बचने के लिए शीतलक I और भाप जनरेटर II के सर्किट बंद चक्रों में संचालित होते हैं।

परमाणु ऊर्जा संयंत्र का टरबाइन एक ऊष्मा इंजन है जो ऊष्मागतिकी के दूसरे नियम के अनुसार संयंत्र की समग्र दक्षता को निर्धारित करता है। आधुनिक परमाणु ऊर्जा संयंत्रों के लिए, दक्षता लगभग बराबर है इसलिए, 1000 मेगावाट के उत्पादन के लिए विद्युत शक्तिरिएक्टर की तापीय शक्ति 3000 मेगावाट तक पहुंचनी चाहिए। कंडेनसर को ठंडा करने वाले पानी से 2000 मेगावाट दूर किया जाना चाहिए। इससे प्राकृतिक जल निकायों के स्थानीय अति ताप और बाद में पर्यावरणीय समस्याओं का उदय होता है।

हालांकि, मुखय परेशानीइसमें परमाणु ऊर्जा संयंत्रों में काम करने वाले लोगों की पूर्ण विकिरण सुरक्षा सुनिश्चित करना और रिएक्टर कोर में बड़ी मात्रा में जमा होने वाले रेडियोधर्मी पदार्थों के आकस्मिक रिलीज को रोकना शामिल है। परमाणु रिएक्टरों के विकास में इस समस्या पर बहुत ध्यान दिया जाता है। फिर भी, कुछ परमाणु ऊर्जा संयंत्रों में दुर्घटनाओं के बाद, विशेष रूप से पेंसिल्वेनिया (यूएसए, 1979) में परमाणु ऊर्जा संयंत्र और चेरनोबिल परमाणु ऊर्जा संयंत्र (1986) में, परमाणु ऊर्जा की सुरक्षा की समस्या विशेष रूप से तीव्र हो गई है।

धीमी न्यूट्रॉन पर चलने वाले उपर्युक्त परमाणु रिएक्टर के साथ, तेज न्यूट्रॉन पर मॉडरेटर के बिना काम करने वाले रिएक्टर बहुत व्यावहारिक रुचि के हैं। ऐसे रिएक्टरों में, परमाणु ईंधन एक समृद्ध मिश्रण होता है जिसमें कम से कम 15% आइसोटोप होता है। तेज न्यूट्रॉन रिएक्टरों का लाभ यह है कि उनके संचालन के दौरान, यूरेनियम -238 नाभिक, न्यूट्रॉन को अवशोषित करते हुए, दो क्रमिक β - क्षय के माध्यम से प्लूटोनियम में परिवर्तित हो जाते हैं नाभिक, जो तब परमाणु ईंधन के रूप में उपयोग किए जा सकते हैं:

ऐसे रिएक्टरों का प्रजनन अनुपात 1.5 तक पहुँच जाता है, अर्थात 1 किलो यूरेनियम -235 के लिए, 1.5 किलोग्राम तक प्लूटोनियम प्राप्त होता है। पारंपरिक रिएक्टर भी प्लूटोनियम का उत्पादन करते हैं, लेकिन बहुत कम मात्रा में।

पहला परमाणु रिएक्टर 1942 में यूएसए में ई. फर्मी के नेतृत्व में बनाया गया था। हमारे देश में, पहला रिएक्टर 1946 में IV Kurchatov के नेतृत्व में बनाया गया था।

2. थर्मोन्यूक्लियर प्रतिक्रियाएं. परमाणु ऊर्जा को मुक्त करने का दूसरा तरीका संलयन प्रतिक्रियाओं से जुड़ा है। प्रकाश नाभिक के संलयन और एक नए नाभिक के निर्माण के दौरान, बड़ी मात्रा में ऊर्जा जारी की जानी चाहिए। इसे द्रव्यमान संख्या A (चित्र 9.6.1) पर विशिष्ट बंधन ऊर्जा की निर्भरता से देखा जा सकता है। लगभग 60 की द्रव्यमान संख्या वाले नाभिक तक, नाभिक की विशिष्ट बाध्यकारी ऊर्जा बढ़ती ए के साथ बढ़ जाती है। इसलिए, ए के साथ किसी भी नाभिक का संश्लेषण< 60 из более легких ядер должен сопровождаться выделением энергии. Общая масса продуктов реакции синтеза будет в этом случае меньше массы первоначальных частиц.

प्रकाश नाभिक की संलयन अभिक्रिया कहलाती है थर्मोन्यूक्लियर प्रतिक्रियाएं,क्योंकि वे केवल बहुत अधिक तापमान पर ही बह सकते हैं। दो नाभिकों को एक संलयन प्रतिक्रिया में प्रवेश करने के लिए, उन्हें अपने धनात्मक आवेशों के विद्युत प्रतिकर्षण पर काबू पाने के लिए 2·10 -15 मीटर के क्रम के परमाणु बलों की कार्रवाई की दूरी पर पहुंचना चाहिए। इसके लिए औसत गतिज ऊर्जा तापीय गतिअणुओं को कूलम्ब अन्योन्यक्रिया की स्थितिज ऊर्जा से अधिक होना चाहिए। इसके लिए आवश्यक तापमान T की गणना 10 8-10 9 K के क्रम के मान की ओर ले जाती है। यह एक अत्यंत उच्च तापमान है। इस ताप पर पदार्थ पूर्ण रूप से आयनित अवस्था में होता है, जिसे कहते हैं प्लाज्मा.

प्रति न्यूक्लियॉन थर्मोन्यूक्लियर प्रतिक्रियाओं में जारी ऊर्जा परमाणु विखंडन की श्रृंखला प्रतिक्रियाओं में जारी विशिष्ट ऊर्जा से कई गुना अधिक है। तो, उदाहरण के लिए, ड्यूटेरियम और ट्रिटियम नाभिक की संलयन प्रतिक्रिया में

3.5 MeV/न्यूक्लियॉन जारी किया जाता है। इस अभिक्रिया में कुल मिलाकर 17.6 MeV निकलता है। यह सबसे आशाजनक थर्मोन्यूक्लियर प्रतिक्रियाओं में से एक है।

कार्यान्वयन नियंत्रित थर्मोन्यूक्लियर प्रतिक्रियाएंमानवता को एक नया पर्यावरण के अनुकूल और व्यावहारिक रूप से ऊर्जा का अटूट स्रोत देगा। हालांकि, अल्ट्राहिग तापमान प्राप्त करना और प्लाज्मा को एक अरब डिग्री तक गर्म करना नियंत्रित थर्मल के कार्यान्वयन के रास्ते पर सबसे कठिन वैज्ञानिक और तकनीकी कार्य है। परमाणु संलयन.

पर यह अवस्थाकेवल विज्ञान और प्रौद्योगिकी का विकास हुआ है अनियंत्रित संलयन प्रतिक्रियाहाइड्रोजन बम में। परमाणु संलयन के लिए आवश्यक उच्च तापमान यहां पारंपरिक यूरेनियम या प्लूटोनियम बम विस्फोट करके प्राप्त किया जाता है।

थर्मोन्यूक्लियर प्रतिक्रियाएं ब्रह्मांड के विकास में एक अत्यंत महत्वपूर्ण भूमिका निभाती हैं। सूर्य और तारों की विकिरण ऊर्जा थर्मोन्यूक्लियर मूल की है।

रेडियोधर्मिता

ज्ञात 2500 परमाणु नाभिकों में से लगभग 90% अस्थिर हैं। एक अस्थिर नाभिक अनायास कणों के उत्सर्जन के साथ अन्य नाभिकों में बदल जाता है। नाभिक के इस गुण को कहते हैं रेडियोधर्मिता. बड़े नाभिकों के लिए, नाभिकीय बलों द्वारा नाभिकों के आकर्षण और प्रोटॉनों के कूलम्ब प्रतिकर्षण के बीच प्रतिस्पर्धा के कारण अस्थिरता उत्पन्न होती है। चार्ज संख्या Z> 83 और द्रव्यमान संख्या A> 209 के साथ कोई स्थिर नाभिक नहीं हैं। लेकिन काफी कम Z और A संख्या वाले परमाणु नाभिक भी रेडियोधर्मी हो सकते हैं। यदि नाभिक में न्यूट्रॉन की तुलना में काफी अधिक प्रोटॉन होते हैं, तो अस्थिरता होती है कूलम्ब अंतःक्रियात्मक ऊर्जा की अधिकता से। नाभिक, जिसमें प्रोटॉन की संख्या से अधिक न्यूट्रॉन होते हैं, इस तथ्य के कारण अस्थिर होते हैं कि न्यूट्रॉन का द्रव्यमान प्रोटॉन के द्रव्यमान से अधिक होता है। नाभिक के द्रव्यमान में वृद्धि से उसकी ऊर्जा में वृद्धि होती है।

रेडियोधर्मिता की घटना की खोज 1896 में फ्रांसीसी भौतिक विज्ञानी ए। बेकरेल ने की थी, जिन्होंने पाया कि यूरेनियम लवण अज्ञात विकिरण का उत्सर्जन करते हैं जो प्रकाश के लिए अपारदर्शी बाधाओं के माध्यम से प्रवेश कर सकते हैं और फोटोग्राफिक इमल्शन को काला कर सकते हैं। दो साल बाद, फ्रांसीसी भौतिकविदों एम. और पी. क्यूरी ने थोरियम की रेडियोधर्मिता की खोज की और दो नए रेडियोधर्मी तत्वों की खोज की - पोलोनियम और रेडियम

बाद के वर्षों में, ई. रदरफोर्ड और उनके छात्रों सहित कई भौतिक विज्ञानी रेडियोधर्मी विकिरण की प्रकृति के अध्ययन में लगे हुए थे। यह पाया गया कि रेडियोधर्मी नाभिक तीन प्रकार के कणों का उत्सर्जन कर सकता है: सकारात्मक और नकारात्मक चार्ज और तटस्थ। इन तीन प्रकार के विकिरणों को α-, β- और γ-विकिरण कहा जाता था। अंजीर पर। 9.7.1 प्रयोग की योजना को दर्शाता है, जिससे रेडियोधर्मी विकिरण की जटिल संरचना का पता लगाना संभव हो जाता है। एक चुंबकीय क्षेत्र में, α- और β-किरणें विपरीत दिशाओं में विचलित होती हैं, और β-किरणें बहुत अधिक विचलित होती हैं। चुंबकीय क्षेत्र में -किरणें बिल्कुल भी विचलित नहीं होती हैं।

ये तीन प्रकार के रेडियोधर्मी विकिरण पदार्थ के परमाणुओं को आयनित करने की क्षमता में और फलस्वरूप, उनकी भेदन शक्ति में एक दूसरे से बहुत भिन्न होते हैं। α-विकिरण में सबसे कम भेदन शक्ति होती है। हवा में, सामान्य परिस्थितियों में, α-किरणें कई सेंटीमीटर की दूरी तय करती हैं। β-किरणें पदार्थ द्वारा बहुत कम अवशोषित होती हैं। वे कई मिलीमीटर मोटी एल्यूमीनियम की एक परत से गुजरने में सक्षम हैं। -किरणों में सबसे अधिक भेदन शक्ति होती है, जो 5-10 सेमी मोटी सीसे की परत से गुजरने में सक्षम होती है।

ई. रदरफोर्ड द्वारा खोज के बाद 20वीं सदी के दूसरे दशक में परमाणु संरचनापरमाणु, यह दृढ़ता से स्थापित हो गया था कि रेडियोधर्मिता है परमाणु नाभिक की संपत्ति. अध्ययनों से पता चला है कि α-किरणें α-कणों की एक धारा का प्रतिनिधित्व करती हैं - हीलियम नाभिक, β-किरणें इलेक्ट्रॉनों की एक धारा हैं, -किरणें एक लघु-तरंग का प्रतिनिधित्व करती हैं। विद्युत चुम्बकीय विकिरणअत्यंत कम तरंग दैर्ध्य के साथ< 10 –10 м и вследствие этого – ярко выраженными корпускулярными свойствами, то есть является потоком частиц – γ-квантов.

अल्फा क्षय. अल्फा क्षय एक परमाणु नाभिक का स्वतःस्फूर्त परिवर्तन है जिसमें प्रोटॉन Z और न्यूट्रॉन N की संख्या दूसरे (बेटी) नाभिक में होती है जिसमें प्रोटॉन Z - 2 और न्यूट्रॉन N - 2 की संख्या होती है। इस मामले में, एक α-कण उत्सर्जित होता है - हीलियम परमाणु का नाभिक। ऐसी प्रक्रिया का एक उदाहरण रेडियम का α-क्षय है:

रेडियम परमाणुओं के नाभिक द्वारा उत्सर्जित अल्फा कणों का उपयोग रदरफोर्ड द्वारा भारी तत्वों के नाभिक द्वारा प्रकीर्णन पर प्रयोगों में किया गया था। रेडियम नाभिक के α-क्षय के दौरान उत्सर्जित α-कणों की गति, चुंबकीय क्षेत्र में प्रक्षेपवक्र की वक्रता के साथ मापी जाती है, लगभग 1.5 10 7 m/s के बराबर होती है, और संबंधित गतिज ऊर्जा लगभग 7.5 10-13 होती है। जे (लगभग 4. 8 एमईवी)। यह मान आसानी से निर्धारित किया जा सकता है ज्ञात मूल्यमाता-पिता और बेटी के नाभिक और हीलियम नाभिक का द्रव्यमान। हालांकि निकाले गए α-कण की गति बहुत अधिक है, यह अभी भी प्रकाश की गति का केवल 5% है, इसलिए गणना गतिज ऊर्जा के लिए एक गैर-सापेक्ष अभिव्यक्ति का उपयोग कर सकती है।

अध्ययनों से पता चला है कि एक रेडियोधर्मी पदार्थ कई असतत ऊर्जा मूल्यों वाले α-कणों का उत्सर्जन कर सकता है। यह इस तथ्य से समझाया गया है कि नाभिक, परमाणुओं की तरह, विभिन्न उत्तेजित अवस्थाओं में हो सकते हैं। एक बेटी नाभिक α-क्षय के दौरान इन उत्तेजित अवस्थाओं में से एक में हो सकता है। इस नाभिक के जमीनी अवस्था में बाद के संक्रमण के दौरान, एक -क्वांटम उत्सर्जित होता है। गतिज ऊर्जा के दो मूल्यों वाले α-कणों के उत्सर्जन के साथ रेडियम के α-क्षय की योजना अंजीर में दिखाई गई है। 9.7.2.

इस प्रकार, नाभिक का α-क्षय कई मामलों में -विकिरण के साथ होता है।

α-क्षय के सिद्धांत में, यह माना जाता है कि दो प्रोटॉन और दो न्यूट्रॉन, यानी एक α-कण से युक्त समूह, नाभिक के अंदर बना सकते हैं। मूल केंद्रक α-कणों के लिए होता है संभावित छेद, जो सीमित है संभावित बाधा. नाभिक में α-कण की ऊर्जा इस अवरोध को दूर करने के लिए अपर्याप्त है (चित्र 9.7.3)। नाभिक से किसी α-कण का निष्कासन केवल क्वांटम यांत्रिक परिघटना के कारण संभव होता है, जिसे कहा जाता है सुरंग प्रभाव. क्वांटम यांत्रिकी के अनुसार, एक संभावित अवरोध के नीचे से गुजरने वाले कण की एक गैर-शून्य संभावना है। टनलिंग की घटना में एक संभाव्य चरित्र है।

बीटा क्षय।बीटा क्षय में, नाभिक से एक इलेक्ट्रॉन उत्सर्जित होता है। नाभिक के अंदर, इलेक्ट्रॉन मौजूद नहीं हो सकते (देखें 9.5), वे न्यूट्रॉन के प्रोटॉन में परिवर्तन के परिणामस्वरूप β-क्षय के दौरान उत्पन्न होते हैं। यह प्रक्रिया न केवल नाभिक के अंदर, बल्कि मुक्त न्यूट्रॉन के साथ भी हो सकती है। एक मुक्त न्यूट्रॉन का औसत जीवनकाल लगभग 15 मिनट होता है। जब एक न्यूट्रॉन एक प्रोटॉन और एक इलेक्ट्रॉन में क्षय हो जाता है

मापों से पता चला कि इस प्रक्रिया में ऊर्जा के संरक्षण के नियम का स्पष्ट उल्लंघन होता है, क्योंकि न्यूट्रॉन के क्षय से उत्पन्न होने वाले प्रोटॉन और इलेक्ट्रॉन की कुल ऊर्जा न्यूट्रॉन की ऊर्जा से कम होती है। 1931 में, डब्ल्यू. पाउली ने सुझाव दिया कि एक न्यूट्रॉन के क्षय के दौरान, शून्य द्रव्यमान और आवेश के साथ एक और कण छोड़ा जाता है, जो ऊर्जा का हिस्सा लेता है। नए कण का नाम है न्युट्रीनो(छोटा न्यूट्रॉन)। न्यूट्रिनो में आवेश और द्रव्यमान की अनुपस्थिति के कारण, यह कण पदार्थ के परमाणुओं के साथ बहुत कमजोर रूप से संपर्क करता है, इसलिए प्रयोग में इसका पता लगाना बेहद मुश्किल है। न्यूट्रिनो की आयनीकरण क्षमता इतनी कम है कि हवा में आयनीकरण का एक कार्य पथ के लगभग 500 किमी पर पड़ता है। यह कण 1953 में ही खोजा गया था। वर्तमान में, यह ज्ञात है कि न्यूट्रिनो की कई किस्में हैं। न्यूट्रॉन क्षय की प्रक्रिया में एक कण उत्पन्न होता है, जिसे कहते हैं इलेक्ट्रॉनिक एंटीन्यूट्रिनो. इसे प्रतीक द्वारा निरूपित किया जाता है इसलिए न्यूट्रॉन क्षय अभिक्रिया को इस प्रकार लिखा जाता है

इसी तरह की प्रक्रिया β-क्षय के दौरान नाभिक के अंदर भी होती है। परमाणु न्यूट्रॉन में से एक के क्षय के परिणामस्वरूप बनने वाला एक इलेक्ट्रॉन तुरंत "मूल घर" (नाभिक) से जबरदस्त गति से बाहर निकल जाता है, जो प्रकाश की गति से केवल एक प्रतिशत के अंश से भिन्न हो सकता है। चूंकि एक इलेक्ट्रॉन, एक न्यूट्रिनो और एक बेटी नाभिक के बीच β-क्षय के दौरान जारी ऊर्जा का वितरण यादृच्छिक होता है, इसलिए β-इलेक्ट्रॉनों में एक विस्तृत श्रृंखला में अलग-अलग वेग हो सकते हैं।

β-क्षय के दौरान, आवेश संख्या Z एक से बढ़ जाती है, जबकि द्रव्यमान संख्या A अपरिवर्तित रहती है। बेटी नाभिक तत्व के समस्थानिकों में से एक का केंद्रक बन जाता है, जिसकी आवर्त सारणी में क्रमांक मूल नाभिक की क्रम संख्या से एक अधिक है। एक विशिष्ट उदाहरणβ-क्षय यूरेनियम के α-क्षय से उत्पन्न होने वाले थोरियम आइसोटोन के पैलेडियम में परिवर्तन के रूप में कार्य कर सकता है

गामा क्षय. α- और β-रेडियोधर्मिता के विपरीत, नाभिक की -रेडियोधर्मिता नाभिक की आंतरिक संरचना में परिवर्तन से जुड़ी नहीं है और चार्ज या द्रव्यमान संख्या में परिवर्तन के साथ नहीं है। α- और β-क्षय दोनों में, बेटी नाभिक कुछ उत्तेजित अवस्था में हो सकता है और इसमें ऊर्जा की अधिकता हो सकती है। उत्तेजित अवस्था से जमीनी अवस्था में नाभिक का संक्रमण एक या कई -क्वांटा के उत्सर्जन के साथ होता है, जिसकी ऊर्जा कई MeV तक पहुँच सकती है।

रेडियोधर्मी क्षय का नियम. रेडियोधर्मी सामग्री के किसी भी नमूने में बड़ी संख्या में रेडियोधर्मी परमाणु होते हैं। चूंकि रेडियोधर्मी क्षय यादृच्छिक है और यह निर्भर नहीं करता है बाहरी स्थितियां, तो अधूरे k . की संख्या N(t) में कमी का नियम वर्तमान क्षणनाभिक का समय t रेडियोधर्मी क्षय की प्रक्रिया की एक महत्वपूर्ण सांख्यिकीय विशेषता के रूप में कार्य कर सकता है।

मान लीजिए कि अधूरे नाभिकों की संख्या N(t) कम समय में ΔN से बदल जाती है t< 0. Так как вероятность распада каждого ядра неизменна во времени, что число распадов будет пропорционально количеству ядер N(t) и промежутку времени Δt:

आनुपातिकता का गुणांक t = 1 s के समय में नाभिक के क्षय की प्रायिकता है। इस सूत्र का अर्थ है कि फ़ंक्शन N(t) के परिवर्तन की दर सीधे फ़ंक्शन के समानुपाती होती है।

जहां एन 0 टी = 0 पर रेडियोधर्मी नाभिक की प्रारंभिक संख्या है। समय τ = 1 / के दौरान, अशिक्षित नाभिक की संख्या ई ≈ 2.7 गुना घट जाएगी। मान कहा जाता है औसत जीवन कालरेडियोधर्मी नाभिक।

व्यावहारिक उपयोग के लिए, संख्या 2 को आधार के रूप में उपयोग करके रेडियोधर्मी क्षय के नियम को एक अलग रूप में लिखना सुविधाजनक है, न कि ई:

T का मान कहलाता है हाफ लाइफ. समय T के दौरान, रेडियोधर्मी नाभिकों की प्रारंभिक संख्या का आधा क्षय हो जाता है। T और के मान संबंध द्वारा संबंधित हैं

अर्ध-आयु मुख्य मात्रा है जो रेडियोधर्मी क्षय की दर को दर्शाती है। आधा जीवन जितना छोटा होगा, क्षय उतना ही तीव्र होगा। इस प्रकार, यूरेनियम टी के लिए 4.5 अरब वर्ष, और रेडियम टी के लिए 1600 वर्ष। इसलिए, रेडियम की गतिविधि यूरेनियम की तुलना में बहुत अधिक है। एक सेकंड के अंश के आधे जीवन के साथ रेडियोधर्मी तत्व होते हैं।

प्राकृतिक परिस्थितियों में नहीं पाया जाता है, और बिस्मथ में समाप्त होता है। रेडियोधर्मी क्षय की यह श्रृंखला होती है नाभिकीय रिएक्टर्स .

एक दिलचस्प आवेदनरेडियोधर्मिता रेडियोधर्मी समस्थानिकों की सांद्रता द्वारा पुरातात्विक और भूवैज्ञानिक खोजों को डेटिंग करने की एक विधि है। सबसे अधिक इस्तेमाल की जाने वाली विधि रेडियोकार्बन डेटिंग है। नहीं स्थिर समस्थानिकब्रह्मांडीय किरणों के कारण होने वाली परमाणु प्रतिक्रियाओं के कारण वातावरण में कार्बन होता है। इस समस्थानिक का एक छोटा प्रतिशत सामान्य स्थिर समस्थानिक के साथ हवा में पाया जाता है। पौधे और अन्य जीव हवा से कार्बन का उपभोग करते हैं और दोनों समस्थानिकों को उसी अनुपात में जमा करते हैं जैसे वे हवा में करते हैं। पौधों की मृत्यु के बाद, वे कार्बन का उपभोग करना बंद कर देते हैं और अस्थिर आइसोटोप 5730 वर्षों के आधे जीवन के साथ बीटा-क्षय के परिणामस्वरूप धीरे-धीरे नाइट्रोजन में बदल जाता है। मार्ग सही मापप्राचीन जीवों के अवशेषों में रेडियोधर्मी कार्बन की सापेक्षिक सांद्रता उनकी मृत्यु का समय निर्धारित कर सकती है।

सभी प्रकार के रेडियोधर्मी विकिरण (अल्फा, बीटा, गामा, न्यूट्रॉन), साथ ही विद्युत चुम्बकीय विकिरण ( एक्स-रे) जीवित जीवों पर एक बहुत मजबूत जैविक प्रभाव पड़ता है, जिसमें जीवित कोशिकाओं को बनाने वाले परमाणुओं और अणुओं के उत्तेजना और आयनीकरण की प्रक्रियाएं होती हैं। आयनकारी विकिरण की क्रिया के तहत, जटिल अणु और सेलुलर संरचनाएं नष्ट हो जाती हैं, जिससे शरीर को विकिरण क्षति होती है। इसलिए, विकिरण के किसी भी स्रोत के साथ काम करते समय, सभी उपाय करना आवश्यक है विकिरण सुरक्षाजो लोग विकिरण के संपर्क में आ सकते हैं।

हालांकि, एक व्यक्ति को आयनकारी विकिरण के संपर्क में लाया जा सकता है और रहने की स्थिति. रेडॉन, एक अक्रिय, रंगहीन, रेडियोधर्मी गैस, मानव स्वास्थ्य के लिए एक गंभीर खतरा पैदा कर सकती है जैसा कि चित्र में दिखाए गए चित्र से देखा जा सकता है। 9.7.5, रेडॉन रेडियम के α-क्षय का एक उत्पाद है और इसका आधा जीवन T = 3.82 दिन है। रेडियम मिट्टी, चट्टानों और विभिन्न में कम मात्रा में पाया जाता है भवन संरचनाएं. अपेक्षाकृत कम जीवनकाल के बावजूद, रेडियम नाभिक के नए क्षय के कारण रेडॉन की सांद्रता लगातार भर जाती है, इसलिए रेडॉन संलग्न स्थानों में जमा हो सकता है। फेफड़ों में जाकर रेडॉन α-कणों का उत्सर्जन करता है और पोलोनियम में बदल जाता है, जो रासायनिक रूप से निष्क्रिय पदार्थ नहीं है। इसके बाद यूरेनियम श्रृंखला के रेडियोधर्मी परिवर्तनों की एक श्रृंखला होती है (चित्र 9.7.5)। विकिरण सुरक्षा और नियंत्रण पर अमेरिकी आयोग के अनुसार, औसत व्यक्ति रेडॉन से 55% आयनकारी विकिरण प्राप्त करता है और केवल 11% विकिरण से प्राप्त करता है। चिकित्सा सेवाएं. कॉस्मिक किरणों का योगदान लगभग 8% है। एक व्यक्ति को अपने जीवनकाल में प्राप्त होने वाले विकिरण की कुल खुराक कई गुना कम होती है अधिकतम स्वीकार्य खुराक(एसडीए), जो आयनकारी विकिरण के अतिरिक्त जोखिम के संपर्क में आने वाले कुछ व्यवसायों के लोगों के लिए स्थापित किया गया है।

परमाणु विखंडन प्रतिक्रियाएं- विखंडन प्रतिक्रियाएं, जो इस तथ्य में शामिल हैं कि न्यूट्रॉन के प्रभाव में एक भारी नाभिक, और जैसा कि बाद में निकला, अन्य कणों को कई हल्के नाभिक (टुकड़ों) में विभाजित किया जाता है, जो अक्सर दो नाभिक में होते हैं जो द्रव्यमान में करीब होते हैं।

परमाणु विखंडन की एक विशेषता यह है कि इसके साथ दो या तीन माध्यमिक न्यूट्रॉन का उत्सर्जन होता है, जिसे कहा जाता है विखंडन न्यूट्रॉन।चूंकि मध्यम नाभिक के लिए न्यूट्रॉन की संख्या लगभग प्रोटॉन की संख्या के बराबर होती है ( एन / जेड 1), और भारी नाभिक के लिए, न्यूट्रॉन की संख्या प्रोटॉन की संख्या से काफी अधिक है ( एन / जेड 1.6), फिर परिणामी विखंडन के टुकड़े न्यूट्रॉन के साथ अतिभारित होते हैं, जिसके परिणामस्वरूप वे विखंडन न्यूट्रॉन छोड़ते हैं। हालांकि, विखंडन न्यूट्रॉन का उत्सर्जन न्यूट्रॉन द्वारा खंड नाभिक के अधिभार को पूरी तरह से समाप्त नहीं करता है। यह इस तथ्य की ओर जाता है कि टुकड़े रेडियोधर्मी हैं। वे -क्वांटा के उत्सर्जन के साथ-साथ β--ट्रांसफॉर्मेशन की एक श्रृंखला से गुजर सकते हैं। चूंकि β--डेके न्यूट्रॉन के प्रोटॉन में परिवर्तन के साथ होता है, तो β--ट्रांसफॉर्मेशन की एक श्रृंखला के बाद, टुकड़े में न्यूट्रॉन और प्रोटॉन के बीच का अनुपात एक स्थिर आइसोटोप के अनुरूप मूल्य तक पहुंच जाएगा। उदाहरण के लिए, यूरेनियम नाभिक के विखंडन के दौरान U

यू+ एन →एक्सई + सीनियर +2 एन(265.1)

विखंडन शार्ड β-क्षय के तीन कार्यों के परिणामस्वरूप, Xe लैंथेनम ला के एक स्थिर समस्थानिक में बदल जाता है:

हेह → सी → बी ० ए → ला.

विखंडन के टुकड़े विविध हो सकते हैं, इसलिए प्रतिक्रिया (265.1) केवल यू विखंडन के लिए अग्रणी नहीं है।

विखंडन के दौरान अधिकांश न्यूट्रॉन लगभग तुरंत उत्सर्जित होते हैं ( टी 10-14 सेकेंड), और एक हिस्सा (लगभग 0.7%) विखंडन के कुछ समय बाद विखंडन के टुकड़ों द्वारा उत्सर्जित होता है (0.05 सेकंड ) टी≤ 60 एस)। इनमें से पहला कहा जाता है तुरंत,द्वितीय - देर से।प्रत्येक विखंडन घटना के लिए औसतन 2.5 न्यूट्रॉन उत्सर्जित होते हैं। उनके पास अपेक्षाकृत व्यापक ऊर्जा स्पेक्ट्रम है जो 0 से 7 MeV तक है, औसत ऊर्जा लगभग 2 MeV प्रति न्यूट्रॉन है।

गणना से पता चलता है कि रिलीज के साथ नाभिक का विखंडन भी होना चाहिए एक लंबी संख्याऊर्जा। दरअसल, मध्यम-द्रव्यमान नाभिक के लिए विशिष्ट बाध्यकारी ऊर्जा लगभग 8.7 MeV है, जबकि भारी नाभिक के लिए यह 7.6 MeV है। नतीजतन, एक भारी नाभिक के दो टुकड़ों में विखंडन से लगभग 1.1 MeV प्रति न्यूक्लियॉन के बराबर ऊर्जा निकलनी चाहिए।

परमाणु नाभिक के विखंडन का सिद्धांत (N. Bohr, Ya. I. Frenkel) नाभिक के ड्रॉप मॉडल पर आधारित था। नाभिक को विद्युत आवेशित असंपीड्य द्रव की एक बूंद के रूप में माना जाता है (जिसका घनत्व परमाणु के बराबर हो और नियमों का पालन हो) क्वांटम यांत्रिकी), जिसके कण, जब एक न्यूट्रॉन नाभिक में प्रवेश करता है, आते हैं दोलन गति, जिसके परिणामस्वरूप नाभिक दो भागों में टूट जाता है, बड़ी ऊर्जा के साथ अलग हो जाता है।

परमाणु विखंडन की संभावना न्यूट्रॉन ऊर्जा द्वारा निर्धारित की जाती है। उदाहरण के लिए, यदि उच्च-ऊर्जा न्यूट्रॉन लगभग सभी नाभिकों के विखंडन का कारण बनते हैं, तो कई मेगा-इलेक्ट्रॉन-वोल्ट की ऊर्जा वाले न्यूट्रॉन - केवल भारी नाभिक ( लेकिन>210), न्यूट्रॉन के साथ सक्रियण ऊर्जा(परमाणु विखंडन प्रतिक्रिया के कार्यान्वयन के लिए आवश्यक न्यूनतम ऊर्जा) 1 MeV के क्रम के, यूरेनियम यू, थोरियम थ, प्रोटैक्टीनियम पा, प्लूटोनियम पु के नाभिक के विखंडन का कारण बनता है। नाभिक U, Pu, और U, Th को थर्मल न्यूट्रॉन द्वारा विभाजित किया जाता है (अंतिम दो समस्थानिक प्रकृति में नहीं होते हैं, वे कृत्रिम रूप से प्राप्त होते हैं)।

नाभिकीय विखंडन के दौरान उत्सर्जित द्वितीयक न्यूट्रॉन नए विखंडन की घटनाओं का कारण बन सकते हैं, जिससे यह संभव हो जाता है विखंडन श्रृंखला प्रतिक्रिया- एक परमाणु प्रतिक्रिया जिसमें प्रतिक्रिया करने वाले कण इस प्रतिक्रिया के उत्पाद के रूप में बनते हैं। विखंडन श्रृंखला प्रतिक्रिया की विशेषता है गुणन कारक कन्यूट्रॉन, जो किसी पीढ़ी में न्यूट्रॉन की संख्या के अनुपात के बराबर है, पिछली पीढ़ी में उनकी संख्या के अनुपात के बराबर है। आवश्यक शर्तएक विखंडन श्रृंखला प्रतिक्रिया के विकास के लिए है आवश्यकता कश्मीर 1.

यह पता चला है कि सभी परिणामी माध्यमिक न्यूट्रॉन बाद के परमाणु विखंडन का कारण नहीं बनते हैं, जिससे गुणन कारक में कमी आती है। सबसे पहले, परिमित आयामों के कारण सार(वह स्थान जहां एक मूल्यवान प्रतिक्रिया होती है) और न्यूट्रॉन की उच्च मर्मज्ञ शक्ति, उनमें से कुछ किसी भी नाभिक द्वारा कब्जा किए जाने से पहले कोर छोड़ देंगे। दूसरे, न्यूट्रॉन का हिस्सा गैर-विखंडन अशुद्धियों के नाभिक द्वारा कब्जा कर लिया जाता है, जो हमेशा कोर में मौजूद होते हैं। इसके अलावा, विखंडन के साथ, विकिरण कैप्चर और इनलेस्टिक बिखरने की प्रतिस्पर्धी प्रक्रियाएं हो सकती हैं।

गुणन कारक विखंडनीय सामग्री की प्रकृति पर निर्भर करता है, और किसी दिए गए आइसोटोप के लिए, इसकी मात्रा पर, साथ ही साथ सक्रिय क्षेत्र के आकार और आकार पर निर्भर करता है। न्यूनतम आयामसक्रिय क्षेत्र, जिसमें एक श्रृंखला प्रतिक्रिया संभव है, कहलाते हैं महत्वपूर्ण आयाम।कार्यान्वयन के लिए आवश्यक महत्वपूर्ण आकारों की प्रणाली में स्थित विखंडनीय सामग्री का न्यूनतम द्रव्यमान श्रृंखला अभिक्रिया,बुलाया क्रांतिक द्रव्यमान।

श्रृंखला प्रतिक्रियाओं के विकास की दर अलग है। रहने दो टी -औसत समय

एक पीढ़ी का जीवन, और एनकिसी दी गई पीढ़ी में न्यूट्रॉन की संख्या है। अगली पीढ़ी में इनकी संख्या होती है के.एन.,टी। ई. प्रति पीढ़ी न्यूट्रॉन की संख्या में वृद्धि डीएन = केएन - एन = एन(क-एक)। समय की प्रति इकाई न्यूट्रॉन की संख्या में वृद्धि, यानी श्रृंखला प्रतिक्रिया की वृद्धि दर,

. (266.1)

समाकलन (266.1), हम प्राप्त करते हैं

,

कहाँ पे एन0समय के प्रारंभिक क्षण में न्यूट्रॉन की संख्या है, और एन- एक बार में उनकी संख्या टी. एनसंकेत द्वारा परिभाषित किया गया है ( क- एक)। पर क> 1 जाता है विकासशील प्रतिक्रिया।विभाजनों की संख्या लगातार बढ़ती जाती है और प्रतिक्रिया विस्फोटक हो सकती है। पर क=1 जाता है आत्मनिर्भर प्रतिक्रियाजिस पर समय के साथ न्यूट्रॉनों की संख्या में परिवर्तन नहीं होता है। पर क <1 идет लुप्त होती प्रतिक्रिया,

श्रृंखला प्रतिक्रियाओं को नियंत्रित और अनियंत्रित में विभाजित किया गया है। उदाहरण के लिए, परमाणु बम का विस्फोट एक अनियंत्रित प्रतिक्रिया है। भंडारण के दौरान एक परमाणु बम को फटने से रोकने के लिए, इसमें यू (या पु) को दो भागों में विभाजित किया जाता है जो एक दूसरे से दूर होते हैं, जिनका द्रव्यमान महत्वपूर्ण से कम होता है। फिर, एक साधारण विस्फोट की मदद से, ये द्रव्यमान एक-दूसरे के पास पहुंचते हैं, विखंडनीय सामग्री का कुल द्रव्यमान अधिक महत्वपूर्ण हो जाता है, और एक विस्फोटक श्रृंखला प्रतिक्रिया होती है, जिसमें बड़ी मात्रा में ऊर्जा और महान विनाश की तात्कालिक रिहाई होती है। विस्फोटक प्रतिक्रिया उपलब्ध स्वतःस्फूर्त विखंडन न्यूट्रॉन या ब्रह्मांडीय विकिरण न्यूट्रॉन के कारण शुरू होती है। प्रबंधित श्रृंखला प्रतिक्रियापरमाणु रिएक्टरों में किया जाता है।

परमाणु विखंडन एक भारी परमाणु का लगभग बराबर द्रव्यमान के दो टुकड़ों में विभाजित होता है, साथ ही बड़ी मात्रा में ऊर्जा की रिहाई होती है।

परमाणु विखंडन की खोज ने एक नए युग की शुरुआत की - "परमाणु युग"। इसके संभावित उपयोग की संभावना और इसके उपयोग से लाभ के जोखिम के अनुपात ने न केवल कई सामाजिक, राजनीतिक, आर्थिक और वैज्ञानिक उपलब्धियां पैदा की हैं, बल्कि गंभीर समस्याएं भी पैदा की हैं। विशुद्ध रूप से वैज्ञानिक दृष्टिकोण से भी, परमाणु विखंडन की प्रक्रिया बनाई गई बड़ी संख्यापहेलियाँ और जटिलताएँ, और इसकी पूर्ण सैद्धांतिक व्याख्या भविष्य की बात है।

साझा करना लाभदायक है

विभिन्न नाभिकों के लिए बाध्यकारी ऊर्जा (प्रति न्यूक्लियॉन) भिन्न होती है। आवर्त सारणी के मध्य में स्थित लोगों की तुलना में भारी लोगों में बाध्यकारी ऊर्जा कम होती है।

इसका मतलब है कि 100 से अधिक परमाणु संख्या वाले भारी नाभिक के लिए, दो छोटे टुकड़ों में विभाजित करना फायदेमंद होता है, जिससे ऊर्जा निकलती है, जो टुकड़ों की गतिज ऊर्जा में परिवर्तित हो जाती है। इस प्रक्रिया को विभाजन कहते हैं

स्थिरता वक्र के अनुसार, जो स्थिर न्यूक्लाइड के लिए न्यूट्रॉन की संख्या पर प्रोटॉन की संख्या की निर्भरता को दर्शाता है, भारी नाभिक हल्के वाले की तुलना में अधिक न्यूट्रॉन (प्रोटॉन की संख्या की तुलना में) को पसंद करते हैं। इससे पता चलता है कि विभाजन प्रक्रिया के साथ कुछ "अतिरिक्त" न्यूट्रॉन उत्सर्जित होंगे। इसके अलावा, वे कुछ जारी ऊर्जा भी लेंगे। यूरेनियम परमाणु के परमाणु विखंडन के अध्ययन से पता चला है कि 3-4 न्यूट्रॉन निकलते हैं: 238 U → 145 La + 90 Br + 3n।

टुकड़े की परमाणु संख्या (और परमाणु द्रव्यमान) माता-पिता के आधे परमाणु द्रव्यमान के बराबर नहीं है। विभाजन के परिणामस्वरूप बनने वाले परमाणुओं के द्रव्यमान के बीच का अंतर आमतौर पर लगभग 50 होता है। सच है, इसका कारण अभी तक पूरी तरह से स्पष्ट नहीं है।

238 U, 145 La, और 90 Br की बाध्यकारी ऊर्जा क्रमशः 1803, 1198 और 763 MeV हैं। इसका मतलब है कि इस प्रतिक्रिया के परिणामस्वरूप, यूरेनियम नाभिक की विखंडन ऊर्जा 1198 + 763-1803 = 158 MeV के बराबर निकलती है।

सहज विभाजन

सहज विभाजन की प्रक्रिया प्रकृति में जानी जाती है, लेकिन वे बहुत दुर्लभ हैं। इस प्रक्रिया का औसत जीवनकाल लगभग 10 17 वर्ष है, और, उदाहरण के लिए, उसी रेडियोन्यूक्लाइड के अल्फा क्षय का औसत जीवनकाल लगभग 10 11 वर्ष है।

इसका कारण यह है कि दो भागों में विभाजित होने के लिए, नाभिक को पहले एक दीर्घवृत्ताकार आकार में विकृत (विस्तारित) किया जाना चाहिए, और फिर, अंत में दो टुकड़ों में विभाजित होने से पहले, बीच में एक "गर्दन" बनाना चाहिए।

संभावित बाधा

विकृत अवस्था में, दो बल कोर पर कार्य करते हैं। एक बढ़ी हुई सतह ऊर्जा है (एक तरल बूंद का सतह तनाव इसके गोलाकार आकार की व्याख्या करता है), और दूसरा विखंडन के टुकड़ों के बीच कूलम्ब प्रतिकर्षण है। साथ में वे एक संभावित बाधा उत्पन्न करते हैं।

अल्फा क्षय के मामले में, यूरेनियम परमाणु नाभिक के सहज विखंडन के लिए, क्वांटम टनलिंग का उपयोग करके टुकड़ों को इस बाधा को दूर करना होगा। अवरोध लगभग 6 MeV है, जैसा कि अल्फा क्षय के मामले में होता है, लेकिन एक अल्फा कण के सुरंग बनने की संभावना बहुत भारी परमाणु विखंडन उत्पाद की तुलना में बहुत अधिक होती है।

जबरन बंटवारा

यूरेनियम नाभिक के प्रेरित विखंडन की बहुत अधिक संभावना है। इस मामले में, मूल नाभिक न्यूट्रॉन से विकिरणित होता है। यदि माता-पिता इसे अवशोषित करते हैं, तो वे बाध्यकारी ऊर्जा को कंपन ऊर्जा के रूप में मुक्त करते हैं, जो संभावित अवरोध को दूर करने के लिए आवश्यक 6 MeV से अधिक हो सकती है।

जहां अतिरिक्त न्यूट्रॉन की ऊर्जा संभावित बाधा को दूर करने के लिए अपर्याप्त है, परमाणु के विभाजन को प्रेरित करने में सक्षम होने के लिए घटना न्यूट्रॉन में न्यूनतम गतिज ऊर्जा होनी चाहिए। 238 U के मामले में, अतिरिक्त न्यूट्रॉन की बाध्यकारी ऊर्जा लगभग 1 MeV कम है। इसका मतलब है कि यूरेनियम नाभिक का विखंडन केवल एक न्यूट्रॉन द्वारा प्रेरित होता है जिसकी गतिज ऊर्जा 1 MeV से अधिक होती है। दूसरी ओर, 235 U समस्थानिक में एक अयुग्मित न्यूट्रॉन होता है। जब नाभिक एक अतिरिक्त को अवशोषित करता है, तो यह इसके साथ एक जोड़ी बनाता है, और इस युग्मन के परिणामस्वरूप, अतिरिक्त बाध्यकारी ऊर्जा प्रकट होती है। यह संभावित अवरोध को दूर करने के लिए नाभिक के लिए आवश्यक ऊर्जा की मात्रा को मुक्त करने के लिए पर्याप्त है और किसी भी न्यूट्रॉन के साथ टकराव पर आइसोटोप विखंडन होता है।

बीटा क्षय

भले ही विखंडन प्रतिक्रिया तीन या चार न्यूट्रॉन का उत्सर्जन करती है, फिर भी टुकड़ों में उनके स्थिर आइसोबार की तुलना में अधिक न्यूट्रॉन होते हैं। इसका मतलब है कि दरार के टुकड़े आमतौर पर बीटा क्षय के खिलाफ अस्थिर होते हैं।

उदाहरण के लिए, जब यूरेनियम 238U विखंडन होता है, तो A = 145 के साथ स्थिर आइसोबार नियोडिमियम 145Nd होता है, जिसका अर्थ है कि लैंथेनम 145La टुकड़ा तीन चरणों में क्षय होता है, हर बार एक इलेक्ट्रॉन और एक एंटीन्यूट्रिनो उत्सर्जित करता है, जब तक कि एक स्थिर न्यूक्लाइड नहीं बनता है। ए = 90 के साथ स्थिर आइसोबार ज़िरकोनियम 90 जेडआर है; इसलिए, ब्रोमीन 90 बीआर विभाजन खंड β-क्षय श्रृंखला के पांच चरणों में विघटित हो जाता है।

ये β-क्षय श्रृंखलाएं अतिरिक्त ऊर्जा छोड़ती हैं, जो लगभग सभी इलेक्ट्रॉनों और एंटीन्यूट्रिनो द्वारा दूर की जाती हैं।

परमाणु प्रतिक्रियाएं: यूरेनियम नाभिक का विखंडन

नाभिक की स्थिरता सुनिश्चित करने के लिए उनमें से बहुत से न्यूक्लाइड से न्यूट्रॉन का प्रत्यक्ष उत्सर्जन असंभव है। यहाँ बात यह है कि कोई कूलम्ब प्रतिकर्षण नहीं है और इसलिए सतह ऊर्जा न्यूट्रॉन को जनक के साथ बंधन में रखने की प्रवृत्ति रखती है। हालाँकि, ऐसा कभी-कभी होता है। उदाहरण के लिए, पहले बीटा क्षय चरण में 90 Br विखंडन टुकड़ा क्रिप्टन -90 का उत्पादन करता है, जो सतह ऊर्जा को दूर करने के लिए पर्याप्त ऊर्जा के साथ उत्तेजित अवस्था में हो सकता है। ऐसे में क्रिप्टन-89 के बनने से न्यूट्रॉनों का उत्सर्जन सीधे हो सकता है। स्थिर yttrium-89 में परिवर्तित होने तक β क्षय के संबंध में अभी भी अस्थिर है, ताकि क्रिप्टन-89 तीन चरणों में क्षय हो जाए।

यूरेनियम नाभिक का विखंडन: एक श्रृंखला प्रतिक्रिया

विखंडन प्रतिक्रिया में उत्सर्जित न्यूट्रॉन को एक अन्य मूल नाभिक द्वारा अवशोषित किया जा सकता है, जो तब स्वयं प्रेरित विखंडन से गुजरता है। यूरेनियम-238 के मामले में, उत्पन्न होने वाले तीन न्यूट्रॉन 1 MeV से कम की ऊर्जा के साथ निकलते हैं (यूरेनियम नाभिक के विखंडन के दौरान जारी ऊर्जा - 158 MeV - मुख्य रूप से विखंडन के टुकड़ों की गतिज ऊर्जा में परिवर्तित हो जाती है) ), इसलिए वे इस न्यूक्लाइड के और विखंडन का कारण नहीं बन सकते। फिर भी, दुर्लभ आइसोटोप 235 यू की एक महत्वपूर्ण एकाग्रता पर, इन मुक्त न्यूट्रॉन को 235 यू नाभिक द्वारा कब्जा कर लिया जा सकता है, जो वास्तव में विखंडन का कारण बन सकता है, क्योंकि इस मामले में कोई ऊर्जा सीमा नहीं है जिसके नीचे विखंडन प्रेरित नहीं होता है।

यह एक श्रृंखला प्रतिक्रिया का सिद्धांत है।

परमाणु प्रतिक्रियाओं के प्रकार

मान लीजिए k इस श्रृंखला के चरण n में विखंडनीय सामग्री के एक नमूने में उत्पादित न्यूट्रॉन की संख्या है, जो चरण n - 1 में उत्पादित न्यूट्रॉन की संख्या से विभाजित है। यह संख्या इस बात पर निर्भर करेगी कि चरण n-1 में उत्पादित कितने न्यूट्रॉन अवशोषित होते हैं। नाभिक द्वारा, जिसे विभाजित करने के लिए मजबूर किया जा सकता है।

अगर के< 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.

यदि k> 1, तो श्रृंखला प्रतिक्रिया तब तक बढ़ेगी जब तक कि सभी विखंडनीय सामग्री का उपयोग नहीं किया जाता है। यह यूरेनियम -235 की पर्याप्त बड़ी सांद्रता प्राप्त करने के लिए प्राकृतिक अयस्क को समृद्ध करके प्राप्त किया जाता है। एक गोलाकार नमूने के लिए, k का मान न्यूट्रॉन अवशोषण संभावना में वृद्धि के साथ बढ़ता है, जो गोले की त्रिज्या पर निर्भर करता है। इसलिए, यूरेनियम नाभिक (श्रृंखला प्रतिक्रिया) के विखंडन के लिए द्रव्यमान यू को एक निश्चित मात्रा से अधिक होना चाहिए।

यदि k=1 है, तो एक नियंत्रित अभिक्रिया होती है। इसका उपयोग परमाणु रिएक्टरों में किया जाता है। इस प्रक्रिया को यूरेनियम के बीच कैडमियम या बोरॉन छड़ों को वितरित करके नियंत्रित किया जाता है, जो अधिकांश न्यूट्रॉन को अवशोषित करते हैं (इन तत्वों में न्यूट्रॉन को पकड़ने की क्षमता होती है)। यूरेनियम नाभिक का विखंडन छड़ों को इस प्रकार घुमाने पर स्वतः नियंत्रित हो जाता है कि k का मान एक के बराबर रहता है।

>> यूरेनियम विखंडन

107 यूरेनस नाभिक का विखंडन

केवल कुछ भारी तत्वों के नाभिकों को ही भागों में विभाजित किया जा सकता है। नाभिक के विखंडन के दौरान, दो या तीन न्यूट्रॉन और -किरणें उत्सर्जित होती हैं। उसी समय, बहुत सारी ऊर्जा निकलती है।

यूरेनियम विखंडन की खोज।यूरेनियम नाभिक के विखंडन की खोज 1938 में जर्मन वैज्ञानिकों ओ. हैन और एफ. स्ट्रैसमैन। उन्होंने स्थापित किया कि जब यूरेनियम पर न्यूट्रॉन की बमबारी होती है, तो आवधिक प्रणाली के मध्य भाग के तत्व उत्पन्न होते हैं: बेरियम, क्रिप्टन, आदि। हालांकि, इस तथ्य की सही व्याख्या यूरेनियम नाभिक के विखंडन के रूप में ठीक है, जिसने न्यूट्रॉन पर कब्जा कर लिया था। 1939 की शुरुआत में अंग्रेजी भौतिक विज्ञानी ओ। फ्रिस्क ने ऑस्ट्रियाई भौतिक विज्ञानी एल। मीटनर के साथ मिलकर काम किया।

न्यूट्रॉन का कब्जा नाभिक की स्थिरता को नष्ट कर देता है। नाभिक उत्तेजित हो जाता है और अस्थिर हो जाता है, जिससे उसका विभाजन टुकड़ों में हो जाता है। परमाणु विखंडन संभव है क्योंकि एक भारी नाभिक का शेष द्रव्यमान विखंडन के दौरान उत्पन्न होने वाले टुकड़ों के शेष द्रव्यमान के योग से अधिक होता है। इसलिए, विखंडन के साथ शेष द्रव्यमान में कमी के बराबर ऊर्जा का विमोचन होता है।

भारी नाभिक के विखंडन की संभावना को द्रव्यमान संख्या A पर विशिष्ट बाध्यकारी ऊर्जा की निर्भरता के ग्राफ का उपयोग करके भी समझाया जा सकता है (चित्र 13.11 देखें)। आवधिक प्रणाली में रहने वाले तत्वों के परमाणु नाभिक की विशिष्ट बाध्यकारी ऊर्जा अंतिम स्थान(ए 200), आवधिक प्रणाली (ए 100) के मध्य में स्थित तत्वों के नाभिक में विशिष्ट बाध्यकारी ऊर्जा से लगभग 1 MeV कम। अतः आवर्त प्रणाली के मध्य भाग में भारी नाभिकों के तत्वों के नाभिकों में विखंडन की प्रक्रिया ऊर्जावान रूप से अनुकूल होती है। विखंडन के बाद, सिस्टम न्यूनतम आंतरिक ऊर्जा वाली स्थिति में चला जाता है। आखिरकार, नाभिक की बाध्यकारी ऊर्जा जितनी अधिक होगी, नाभिक के निर्माण में उतनी ही अधिक ऊर्जा छोड़नी होगी और, परिणामस्वरूप, कम आंतरिक ऊर्जानवगठित प्रणाली।

परमाणु विखंडन के दौरान, प्रति न्यूक्लियॉन बाध्यकारी ऊर्जा 1 MeV तक बढ़ जाती है, और जारी की गई कुल ऊर्जा बहुत बड़ी होनी चाहिए - लगभग 200 MeV। कोई अन्य परमाणु प्रतिक्रिया (विखंडन से संबंधित नहीं) इतनी बड़ी ऊर्जा जारी करती है।

यूरेनियम नाभिक के विखंडन के दौरान जारी ऊर्जा के प्रत्यक्ष माप ने उपरोक्त विचारों की पुष्टि की और 200 MeV का मान दिया। इसके अलावा, इस ऊर्जा का अधिकांश भाग (168 MeV) टुकड़ों की गतिज ऊर्जा पर पड़ता है। चित्र 13.13 में आप एक बादल कक्ष में विखंडनीय यूरेनियम के टुकड़ों के निशान देखते हैं।

नाभिकीय विखंडन के दौरान निकलने वाली ऊर्जा नाभिकीय उत्पत्ति के बजाय इलेक्ट्रोस्टैटिक की होती है। उनके कूलम्ब प्रतिकर्षण के कारण टुकड़ों में उत्पन्न होने वाली बड़ी गतिज ऊर्जा।

परमाणु विखंडन का तंत्र।नाभिक के ड्रॉप मॉडल के आधार पर नाभिकीय विखंडन की प्रक्रिया को समझाया जा सकता है। इस मॉडल के अनुसार, नाभिकों का एक गुच्छा आवेशित द्रव की एक बूंद जैसा दिखता है (चित्र 13.14, a)। नाभिकीय बलों के बीच परमाणु बल कम दूरी के होते हैं, जैसे तरल अणुओं के बीच कार्य करने वाले बल। प्रोटॉन के बीच इलेक्ट्रोस्टैटिक प्रतिकर्षण की मजबूत ताकतों के साथ, जो नाभिक को अलग करने की प्रवृत्ति रखते हैं, अभी भी आकर्षण के बड़े परमाणु बल हैं। ये बल नाभिक को विघटित होने से बचाते हैं।

यूरेनियम-235 का नाभिक गोलाकार होता है। एक अतिरिक्त न्यूट्रॉन को अवशोषित करने के बाद, यह उत्तेजित होता है और विकृत होने लगता है, एक लम्बी आकृति प्राप्त करता है (चित्र 13.14, बी)। कोर तब तक खिंचता रहेगा जब तक कि विस्तारित कोर के हिस्सों के बीच प्रतिकारक बल इस्थमस में अभिनय करने वाली आकर्षक ताकतों पर हावी नहीं होने लगते (चित्र 13.14, सी)। उसके बाद, इसे दो भागों में तोड़ दिया जाता है (चित्र 13.14, डी)।

कूलम्ब प्रतिकर्षण बलों की कार्रवाई के तहत, ये टुकड़े प्रकाश की गति के 1/30 के बराबर गति से अलग हो जाते हैं।

विखंडन के दौरान न्यूट्रॉन का उत्सर्जन।परमाणु विखंडन का मूल तथ्य विखंडन के दौरान दो या तीन न्यूट्रॉन का उत्सर्जन है। इससे यह संभव हुआ प्रायोगिक उपयोगइंट्रान्यूक्लियर ऊर्जा।

यह समझना संभव है कि निम्नलिखित कारणों से मुक्त न्यूट्रॉन क्यों उत्सर्जित होते हैं। यह ज्ञात है कि स्थिर नाभिक में प्रोटॉन की संख्या के साथ न्यूट्रॉन की संख्या का अनुपात परमाणु संख्या में वृद्धि के साथ बढ़ता है। इसलिए, विखंडन से उत्पन्न होने वाले टुकड़ों में, न्यूट्रॉन की सापेक्ष संख्या आवर्त सारणी के मध्य में स्थित परमाणुओं के नाभिक के लिए अनुमेय से अधिक हो जाती है। नतीजतन, विखंडन प्रक्रिया में कई न्यूट्रॉन जारी किए जाते हैं। उनकी ऊर्जा है विभिन्न अर्थ- कई मिलियन इलेक्ट्रॉन वोल्ट से लेकर बहुत छोटा, शून्य के करीब।

विखंडन आमतौर पर टुकड़ों में होता है, जिनमें से द्रव्यमान लगभग 1.5 गुना भिन्न होता है। ये टुकड़े अत्यधिक रेडियोधर्मी होते हैं, क्योंकि इनमें न्यूट्रॉन की मात्रा अधिक होती है। क्रमिक-क्षय की एक श्रृंखला के परिणामस्वरूप, स्थिर समस्थानिक अंततः प्राप्त होते हैं।

अंत में, हम ध्यान दें कि यूरेनियम नाभिक का स्वतःस्फूर्त विखंडन भी होता है। इसकी खोज सोवियत भौतिकविदों जी.एन. फ्लेरोव और के.ए. पेट्रज़क ने 1940 में की थी। सहज विखंडन के लिए आधा जीवन 10 16 वर्ष है। यह यूरेनियम क्षय के आधे जीवन से दो मिलियन गुना अधिक है।

परमाणु विखंडन प्रतिक्रिया ऊर्जा की रिहाई के साथ होती है।

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