Այն, ինչ կոչվում է միջուկային տրոհման ռեակցիա: Ուրանի միջուկի տրոհում

Դասարան

Դաս #42-43

Շղթայական ռեակցիաուրանի միջուկների տրոհում. Միջուկային էներգիա և էկոլոգիա. Ռադիոակտիվություն. Կես կյանք.

Միջուկային ռեակցիաներ

Միջուկային ռեակցիան փոխազդեցության գործընթաց է ատոմային միջուկմեկ այլ միջուկով կամ տարրական մասնիկ, որն ուղեկցվում է միջուկի կազմի և կառուցվածքի փոփոխությամբ և երկրորդական մասնիկների կամ γ-քվանտաների արտազատմամբ։

Միջուկային ռեակցիաների արդյունքում կարող են ձևավորվել նոր ռադիոակտիվ իզոտոպներ, որոնք Երկրի վրա չեն vivo.

Առաջին միջուկային ռեակցիան իրականացվել է Է. Ռադերֆորդի կողմից 1919 թվականին՝ միջուկային քայքայման արտադրանքներում պրոտոնների հայտնաբերման փորձերում (տես § 9.5): Ռադերֆորդը ռմբակոծել է ազոտի ատոմները ալֆա մասնիկներով։ Երբ մասնիկները բախվեցին, տեղի ունեցավ միջուկային ռեակցիա, որն ընթացավ հետևյալ սխեմայով.

Միջուկային ռեակցիաների ժամանակ մի քանի պահպանության օրենքներըիմպուլս, էներգիա, անկյունային իմպուլս, լիցք։ Ի հավելումն այս դասական պահպանման օրենքների, միջուկային ռեակցիաներում գործում է այսպես կոչված պահպանման օրենքը: բարիոնի լիցք(այսինքն՝ նուկլեոնների քանակը՝ պրոտոններ և նեյտրոններ)։ Գործում են նաև միջուկային ֆիզիկային և տարրական մասնիկների ֆիզիկային հատուկ պահպանման մի շարք այլ օրենքներ:

Միջուկային ռեակցիաները կարող են շարունակվել, երբ ատոմները ռմբակոծվում են արագ լիցքավորված մասնիկներով (պրոտոններ, նեյտրոններ, α-մասնիկներ, իոններ): Այս տեսակի առաջին ռեակցիան իրականացվել է 1932 թվականին արագացուցիչում ստացված բարձր էներգիայի պրոտոնների միջոցով.

որտեղ M A-ն և M B-ն սկզբնական արտադրյալների զանգվածներն են, M C-ն և M D-ը՝ զանգվածները վերջնական արտադրանքռեակցիաներ. ΔM արժեքը կոչվում է զանգվածային թերություն. Միջուկային ռեակցիաները կարող են շարունակվել արտազատմամբ (Q > 0) կամ էներգիայի կլանմամբ (Q< 0). Во втором случае первоначальная кинетическая энергия исходных продуктов должна превышать величину |Q|, которая называется порогом реакции.

Որպեսզի միջուկային ռեակցիան ունենա դրական էներգիայի ելք, հատուկ կապող էներգիասկզբնական արտադրանքի միջուկներում նուկլեոնները պետք է ավելի քիչ լինեն հատուկ էներգիանուկլոնների կապերը վերջնական արտադրանքի միջուկներում. Սա նշանակում է, որ ΔM պետք է լինի դրական:

Ատոմային էներգիան ազատելու երկու սկզբունքորեն տարբեր եղանակ կա:

1. Ծանր միջուկների տրոհում. Ի տարբերություն միջուկների ռադիոակտիվ քայքայման, որն ուղեկցվում է α- կամ β-մասնիկների արտանետմամբ, տրոհման ռեակցիաները գործընթաց են, երբ անկայուն միջուկը բաժանվում է համադրելի զանգվածների երկու մեծ բեկորների։

1939 թվականին գերմանացի գիտնականներ Օ.Հանը և Ֆ.Ստրասմանը հայտնաբերեցին ուրանի միջուկների տրոհումը։ Շարունակելով Ֆերմիի սկսած հետազոտությունը, նրանք պարզեցին, որ երբ ուրանը ռմբակոծվում է նեյտրոններով՝ միջին մասի տարրերով. պարբերական համակարգ- բարիումի ռադիոակտիվ իզոտոպներ (Z = 56), կրիպտոնի (Z = 36) և այլն:

Ուրանը բնության մեջ հանդիպում է երկու իզոտոպների տեսքով՝ (99,3%) և (0,7%)։ Նեյտրոնների կողմից ռմբակոծվելիս երկու իզոտոպների միջուկները կարող են բաժանվել երկու մասի։ Այս դեպքում տրոհման ռեակցիան առավել ինտենսիվ է ընթանում դանդաղ (ջերմային) նեյտրոններով, մինչդեռ միջուկները տրոհման ռեակցիայի մեջ են մտնում միայն արագ նեյտրոնների հետ՝ 1 ՄէՎ կարգի էներգիայով։

Հիմնական հետաքրքրությունը միջուկային էներգիաներկայացնում է միջուկի տրոհման ռեակցիան։Ներկայումս հայտնի են մոտ 100 տարբեր իզոտոպներ՝ մոտ 90-ից 145 զանգվածային թվերով, որոնք առաջանում են այս միջուկի տրոհումից։ Այս միջուկի երկու բնորոշ տրոհման ռեակցիաները ունեն հետևյալ ձևը.

Նկատի ունեցեք, որ նեյտրոնի կողմից հարուցված միջուկային տրոհման արդյունքում առաջանում են նոր նեյտրոններ, որոնք կարող են առաջացնել տրոհման ռեակցիաներ այլ միջուկներում։ Ուրանի-235 միջուկների տրոհման արգասիքները կարող են լինել նաև բարիումի, քսենոնի, ստրոնցիումի, ռուբիդիումի և այլնի այլ իզոտոպներ։

Ուրանի մեկ միջուկի տրոհման ժամանակ արձակված կինետիկ էներգիան հսկայական է՝ մոտ 200 ՄէՎ։ Միջուկային տրոհման ժամանակ թողարկված էներգիան կարելի է գնահատել՝ օգտագործելով հատուկ կապող էներգիանուկլոններ միջուկում. A ≈ 240 զանգվածային թվով նուկլոնների հատուկ կապի էներգիան մոտավորապես 7,6 ՄէՎ/նուկլեոն է, մինչդեռ A = 90–145 զանգվածային թվերով միջուկներում հատուկ էներգիան մոտավորապես հավասար է 8,5 ՄէՎ/նուկլեոն։ Հետևաբար, ուրանի միջուկի տրոհումից առաջանում է 0,9 ՄէՎ/նուկլեոն կարգի էներգիա կամ մոտավորապես 210 ՄէՎ մեկ ուրանի ատոմի համար։ 1 գ ուրանի մեջ պարունակվող բոլոր միջուկների ամբողջական տրոհման դեպքում արտազատվում է նույն էներգիան, ինչ 3 տոննա ածուխի կամ 2,5 տոննա նավթի այրման ժամանակ։

Ուրանի միջուկի տրոհման արտադրանքները անկայուն են, քանի որ դրանք պարունակում են նեյտրոնների զգալի ավելցուկ: Իսկապես, ամենածանր միջուկների համար N/Z հարաբերակցությունը մոտ 1,6 է (նկ. 9.6.2), 90-ից 145 զանգվածային թվերով միջուկների համար այս հարաբերակցությունը մոտ 1,3–1,4 է։ Հետևաբար, բեկորների միջուկները ունենում են մի շարք հաջորդական β - քայքայումներ, որոնց արդյունքում միջուկում պրոտոնների թիվը մեծանում է, իսկ նեյտրոնների թիվը նվազում է մինչև կայուն միջուկի ձևավորումը։

Ուրանի 235 միջուկի տրոհման ժամանակ, որն առաջանում է նեյտրոնի հետ բախման հետևանքով, 2 կամ 3 նեյտրոն է արտազատվում։ Բարենպաստ պայմաններում այս նեյտրոնները կարող են հարվածել ուրանի այլ միջուկներին և առաջացնել դրանց տրոհում։ Այս փուլում արդեն կհայտնվեն 4-ից 9 նեյտրոններ, որոնք կարող են առաջացնել ուրանի միջուկների նոր քայքայումներ և այլն։ Ձնահոսքի նման գործընթացը կոչվում է շղթայական ռեակցիա։ Զարգացման սխեմա շղթայական ռեակցիաուրանի միջուկների տրոհումը ներկայացված է նկ. 9.8.1.

Նկար 9.8.1. Շղթայական ռեակցիայի զարգացման սխեմա.

Որպեսզի շղթայական ռեակցիա առաջանա, անհրաժեշտ է, որ այսպես կոչված նեյտրոնների բազմապատկման գործակիցմեկից մեծ էր: Այսինքն՝ յուրաքանչյուր հաջորդ սերնդում պետք է ավելի շատ նեյտրոններ լինեն, քան նախորդում։ Բազմապատկման գործակիցը որոշվում է ոչ միայն յուրաքանչյուր տարրական իրադարձության մեջ արտադրված նեյտրոնների քանակով, այլև այն պայմաններով, որոնց դեպքում ընթանում է ռեակցիան. նեյտրոնների մի մասը կարող է կլանվել այլ միջուկների կողմից կամ հեռանալ ռեակցիայի գոտուց: Ուրանի 235 միջուկների տրոհման ժամանակ արձակված նեյտրոնները կարող են առաջացնել միայն նույն ուրանի միջուկների տրոհում, որը կազմում է բնական ուրանի միայն 0,7%-ը։ Այս կոնցենտրացիան անբավարար է շղթայական ռեակցիա սկսելու համար։ Իզոտոպը կարող է նաև կլանել նեյտրոնները, սակայն շղթայական ռեակցիա չի լինում։

շղթայական ռեակցիա ուրանում բարձր պարունակությունուրան-235-ը կարող է զարգանալ միայն այն դեպքում, երբ ուրանի զանգվածը գերազանցի այսպես կոչված կրիտիկական զանգված.Ուրանի փոքր կտորների մեջ նեյտրոնների մեծ մասը, առանց որևէ միջուկի հարվածելու, դուրս է թռչում։ Մաքուր ուրան-235-ի համար կրիտիկական զանգվածը կազմում է մոտ 50 կգ: Ուրանի կրիտիկական զանգվածը կարելի է մի քանի անգամ կրճատել՝ օգտագործելով այսպես կոչված մոդերատորներնեյտրոններ։ Փաստն այն է, որ ուրանի միջուկների քայքայման ժամանակ արտադրված նեյտրոնները չափազանց բարձր արագություններ ունեն, և ուրանի-235 միջուկների կողմից դանդաղ նեյտրոնների գրավման հավանականությունը հարյուրավոր անգամ ավելի մեծ է, քան արագները: Լավագույն նեյտրոնային մոդերատորն է ծանր ջուր D 2 O. Նեյտրոնների հետ փոխազդեցության ժամանակ սովորական ջուրն ինքնին վերածվում է ծանր ջրի:

Լավ մոդերատոր է նաև գրաֆիտը, որի միջուկները չեն կլանում նեյտրոնները։ Դեյտերիումի կամ ածխածնի միջուկների հետ առաձգական փոխազդեցության դեպքում նեյտրոնները դանդաղում են մինչև ջերմային արագություն։

Նեյտրոնային մոդերատորների և նեյտրոններն արտացոլող բերիլիումի հատուկ թաղանթի օգտագործումը հնարավորություն է տալիս կրիտիկական զանգվածը նվազեցնել մինչև 250 գ:

Ատոմային ռումբերում անվերահսկելի միջուկային շղթայական ռեակցիա է տեղի ունենում, երբ արագ կապերկու կտոր ուրան-235, որոնցից յուրաքանչյուրի զանգվածը կրիտիկականից մի փոքր ցածր է:

Այն սարքը, որը պահպանում է կառավարվող միջուկային տրոհման ռեակցիա, կոչվում է միջուկային(կամ ատոմային) ռեակտոր. Սխեման միջուկային ռեակտորդանդաղ նեյտրոնների վրա ցույց է տրված նկ. 9.8.2.

Նկար 9.8.2. Միջուկային ռեակտորի սարքի սխեման.

Միջուկային ռեակցիան տեղի է ունենում ռեակտորի միջուկում, որը լցված է մոդերատորով և ծակված ձողերով, որոնք պարունակում են ուրանի 235-ի բարձր պարունակությամբ ուրանի իզոտոպների հարստացված խառնուրդ (մինչև 3%)։ Միջուկ են ներմուծվում կադմիում կամ բոր պարունակող հսկիչ ձողեր, որոնք ինտենսիվորեն կլանում են նեյտրոնները։ Ձողերի միջուկի ներմուծումը թույլ է տալիս վերահսկել շղթայական ռեակցիայի արագությունը:

Միջուկը սառչում է պոմպային հովացուցիչ նյութով, որը կարող է լինել ջուր կամ ցածր հալման ջերմաստիճան ունեցող մետաղ (օրինակ՝ նատրիում, որի հալման ջերմաստիճանը 98 °C է): Գոլորշի գեներատորում հովացուցիչ նյութը տեղափոխվում է ջերմային էներգիաջուր՝ վերածելով այն գոլորշու բարձր ճնշում. Գոլորշին ուղարկվում է էլեկտրական գեներատորին միացված տուրբին։ Տուրբինից գոլորշին մտնում է կոնդենսատոր: Ճառագայթման արտահոսքից խուսափելու համար հովացուցիչ նյութ I-ի և գոլորշու գեներատոր II-ի շղթաները գործում են փակ ցիկլերով:

Ատոմակայանի տուրբինը ջերմային շարժիչ է, որը որոշում է կայանի ընդհանուր արդյունավետությունը թերմոդինամիկայի երկրորդ օրենքին համապատասխան: Ժամանակակից ատոմակայանների համար արդյունավետությունը մոտավորապես հավասար է, հետևաբար, 1000 ՄՎտ արտադրության համար. էլեկտրական հոսանքռեակտորի ջերմային հզորությունը պետք է հասնի 3000 ՄՎտ-ի։ 2000 ՄՎտ պետք է տանի կոնդենսատորը հովացնող ջրով: Սա հանգեցնում է բնական ջրային մարմինների տեղային գերտաքացմանը և հետագա բնապահպանական խնդիրների առաջացմանը:

Բայց, հիմնական խնդիրըներառում է ատոմակայաններում աշխատող մարդկանց ամբողջական ճառագայթային անվտանգության ապահովումը և ռեակտորի միջուկում մեծ քանակությամբ կուտակվող ռադիոակտիվ նյութերի պատահական արտանետումների կանխումը: Այս խնդրին մեծ ուշադրություն է դարձվում միջուկային ռեակտորների մշակման ժամանակ։ Այնուամենայնիվ, որոշ ատոմակայաններում, մասնավորապես Փենսիլվանիայի ատոմակայանում (ԱՄՆ, 1979 թ.) և Չեռնոբիլի ատոմակայանում (1986 թ.) տեղի ունեցած վթարներից հետո ատոմային էներգիայի անվտանգության խնդիրը հատկապես սուր է դարձել։

Դանդաղ նեյտրոնների վրա գործող վերը նկարագրված միջուկային ռեակտորների հետ մեկտեղ մեծ գործնական հետաքրքրություն են ներկայացնում արագ նեյտրոնների վրա գործող առանց մոդերատորի ռեակտորները։ Նման ռեակտորներում միջուկային վառելիքը հարստացված խառնուրդ է, որը պարունակում է իզոտոպի առնվազն 15%-ը:Արագ նեյտրոնային ռեակտորների առավելությունն այն է, որ դրանց շահագործման ընթացքում ուրանի-238 միջուկները, որոնք կլանում են նեյտրոնները, երկու հաջորդական β- քայքայման միջոցով վերածվում են պլուտոնիումի: միջուկներ, որոնք հետագայում կարող են օգտագործվել որպես միջուկային վառելիք.

Նման ռեակտորների բուծման հարաբերակցությունը հասնում է 1,5-ի, այսինքն՝ 1 կգ ուրան-235-ի համար ստացվում է մինչև 1,5 կգ պլուտոնիում։ Սովորական ռեակտորները նույնպես արտադրում են պլուտոնիում, բայց շատ ավելի փոքր քանակությամբ:

Առաջին միջուկային ռեակտորը կառուցվել է 1942 թվականին ԱՄՆ-ում Է.Ֆերմիի ղեկավարությամբ։ Մեր երկրում առաջին ռեակտորը կառուցվել է 1946 թվականին՝ Ի.Վ. Կուրչատովի ղեկավարությամբ։

2. ջերմամիջուկային ռեակցիաներ. Միջուկային էներգիան ազատելու երկրորդ եղանակը կապված է միաձուլման ռեակցիաների հետ։ Թեթև միջուկների միաձուլման և նոր միջուկի ձևավորման ժամանակ. մեծ թվովէներգիա. Դա երևում է A զանգվածային թվից հատուկ կապող էներգիայի կախվածությունից (նկ. 9.6.1): Մինչև մոտ 60 զանգվածային թվով միջուկներ, նուկլոնների հատուկ կապակցման էներգիան մեծանում է A-ի աճով: Հետևաբար, ցանկացած միջուկի միաձուլումը A-ի հետ< 60 из более легких ядер должен сопровождаться выделением энергии. Общая масса продуктов реакции синтеза будет в этом случае меньше массы первоначальных частиц.

Լույսի միջուկների միաձուլման ռեակցիաները կոչվում են ջերմամիջուկային ռեակցիաներ,քանի որ դրանք կարող են հոսել միայն շատ բարձր ջերմաստիճանի դեպքում: Որպեսզի երկու միջուկները մտնեն միաձուլման ռեակցիայի մեջ, նրանք պետք է մոտենան 2,10 -15 մ կարգի միջուկային ուժերի գործողության հեռավորության վրա՝ հաղթահարելով իրենց դրական լիցքերի էլեկտրական վանումը։ Դրա համար միջին կինետիկ էներգիան ջերմային շարժումմոլեկուլները պետք է գերազանցեն Կուլոնի փոխազդեցության պոտենցիալ էներգիան: Դրա համար անհրաժեշտ T ջերմաստիճանի հաշվարկը հանգեցնում է 10 8 –10 9 Կ կարգի արժեքի: Սա չափազանց բարձր ջերմաստիճան է: Այս ջերմաստիճանում նյութը գտնվում է լիովին իոնացված վիճակում, որը կոչվում է պլազմա.

Մեկ նուկլեոնի ջերմամիջուկային ռեակցիաներում արտազատվող էներգիան մի քանի անգամ գերազանցում է միջուկային տրոհման շղթայական ռեակցիաներում թողարկվող հատուկ էներգիան։ Այսպես, օրինակ, դեյտերիումի և տրիտիումի միջուկների միաձուլման ռեակցիայում

Ազատվում է 3,5 ՄէՎ/նուկլեոն: Ընդհանուր առմամբ, այս ռեակցիայում արտազատվում է 17,6 ՄէՎ: Սա ամենախոստումնալից ջերմամիջուկային ռեակցիաներից մեկն է։

Իրականացում վերահսկվող ջերմամիջուկային ռեակցիաներմարդկությանը կտա էկոլոգիապես մաքուր և գործնականում անսպառ էներգիայի նոր աղբյուր: Այնուամենայնիվ, գերբարձր ջերմաստիճաններ ստանալը և պլազմային մինչև միլիարդ աստիճան տաքացնելը ամենադժվար գիտատեխնիկական խնդիրն է վերահսկվող ջերմամիջուկային միաձուլման իրականացման ճանապարհին:

Վրա այս փուլըգիտության և տեխնիկայի զարգացումը եղել է միայն անվերահսկելի միաձուլման ռեակցիաջրածնային ռումբի մեջ։ Միջուկային միաձուլման համար պահանջվող բարձր ջերմաստիճանն այստեղ ձեռք է բերվում սովորական ուրանի կամ պլուտոնիումային ռումբի պայթեցման միջոցով:

Ջերմամիջուկային ռեակցիաները չափազանց կարևոր դեր են խաղում Տիեզերքի էվոլյուցիայի մեջ: Արեգակի և աստղերի ճառագայթման էներգիան ջերմամիջուկային ծագում ունի։

Ռադիոակտիվություն

Հայտնի 2500 ատոմային միջուկների գրեթե 90%-ը անկայուն են: Անկայուն միջուկն ինքնաբերաբար փոխակերպվում է այլ միջուկների՝ մասնիկների արտանետմամբ։ Միջուկների այս հատկությունը կոչվում է ռադիոակտիվություն. Խոշոր միջուկների համար անկայունությունը առաջանում է միջուկային ուժերի կողմից նուկլոնների ներգրավման և պրոտոնների Կուլոնյան վանման միջև մրցակցության պատճառով։ Չկան կայուն միջուկներ Z > 83 լիցք ունեցող և A > 209 զանգվածային թվով միջուկներ: Բայց զգալիորեն ցածր Z և A թվերով ատոմային միջուկները նույնպես կարող են ռադիոակտիվ լինել: Եթե միջուկը պարունակում է զգալիորեն ավելի շատ պրոտոններ, քան նեյտրոններ, ապա անկայունություն է առաջանում: Կուլոնի փոխազդեցության էներգիայի ավելցուկով: Միջուկները, որոնք կպարունակեն նեյտրոնների մեծ ավելցուկ պրոտոնների քանակից, անկայուն են այն պատճառով, որ նեյտրոնի զանգվածը գերազանցում է պրոտոնի զանգվածը։ Միջուկի զանգվածի ավելացումը հանգեցնում է նրա էներգիայի ավելացման:

Ռադիոակտիվության ֆենոմենը հայտնաբերվել է 1896 թվականին ֆրանսիացի ֆիզիկոս Ա. Բեկերելի կողմից, ով հայտնաբերել է, որ ուրանի աղերը անհայտ ճառագայթում են արձակում, որը կարող է թափանցել լույսի համար անթափանց պատնեշների միջով և առաջացնել լուսանկարչական էմուլսիայի սևացում: Երկու տարի անց ֆրանսիացի ֆիզիկոսներ Մ. և Պ. Կյուրիները հայտնաբերեցին թորիումի ռադիոակտիվությունը և հայտնաբերեցին երկու նոր ռադիոակտիվ տարրեր՝ պոլոնիումը և ռադիումը։

Հետագա տարիներին շատ ֆիզիկոսներ, այդ թվում՝ Է.Ռադերֆորդը և նրա ուսանողները, զբաղվում էին ռադիոակտիվ ճառագայթման բնույթի ուսումնասիրությամբ։ Պարզվել է, որ ռադիոակտիվ միջուկները կարող են արձակել երեք տեսակի մասնիկներ՝ դրական և բացասական լիցքավորված և չեզոք: Այս երեք տեսակի ճառագայթումը կոչվում էր α-, β- և γ-ճառագայթում: Նկ. 9.7.1-ում ներկայացված է փորձի սխեման, որը հնարավորություն է տալիս հայտնաբերել ռադիոակտիվ ճառագայթման բարդ բաղադրությունը: Մագնիսական դաշտում α- և β ճառագայթները շեղվում են հակառակ ուղղություններով, իսկ β ճառագայթները շատ ավելի շատ են շեղվում։ γ-ճառագայթները մագնիսական դաշտում ընդհանրապես չեն շեղվում։

Ռադիոակտիվ ճառագայթման այս երեք տեսակները մեծապես տարբերվում են միմյանցից նյութի ատոմները իոնացնելու ունակությամբ և, հետևաբար, ներթափանցող ուժով։ α-ճառագայթումն ունի ամենաքիչ թափանցող ուժը։ Օդում, նորմալ պայմաններում, α-ճառագայթները անցնում են մի քանի սանտիմետր տարածություն։ β-ճառագայթները շատ ավելի քիչ են ներծծվում նյութի կողմից: Նրանք կարողանում են անցնել մի քանի միլիմետր հաստությամբ ալյումինի շերտով։ γ-ճառագայթներն ունեն ամենաբարձր թափանցող ուժը, կարող են անցնել 5–10 սմ հաստությամբ կապարի շերտով։

20-րդ դարի երկրորդ տասնամյակում Է.Ռադերֆորդի բացահայտումից հետո միջուկային կառուցվածքըատոմների, հաստատապես հաստատվել է, որ ռադիոակտիվությունը ատոմային միջուկների հատկությունը. Ուսումնասիրությունները ցույց են տվել, որ α-ճառագայթները ներկայացնում են α-մասնիկների հոսք՝ հելիումի միջուկներ, β-ճառագայթները էլեկտրոնների հոսք են, γ-ճառագայթները ներկայացնում են կարճ ալիք: էլեկտրամագնիսական ճառագայթումչափազանց կարճ ալիքի երկարությամբ λ< 10 –10 м и вследствие этого – ярко выраженными корпускулярными свойствами, то есть является потоком частиц – γ-квантов.

Ալֆայի քայքայումը. Ալֆա քայքայումը Z- պրոտոնների և N նեյտրոնների քանակով ատոմային միջուկի ինքնաբուխ փոխակերպումն է մեկ այլ (դուստր) միջուկի, որը պարունակում է Z-2 պրոտոնների և N-2 նեյտրոնների թիվը: Այս դեպքում արտանետվում է α-մասնիկ. հելիումի ատոմի միջուկը։ Նման գործընթացի օրինակ է ռադիումի α-քայքայումը.

Ռադիումի ատոմների միջուկներից արտանետվող ալֆա մասնիկներն օգտագործվել են Ռադերֆորդի կողմից ծանր տարրերի միջուկներով ցրման փորձերի ժամանակ։ Ռադիումի միջուկների α-քայքայման ժամանակ արտանետվող α-մասնիկների արագությունը, որը չափվում է մագնիսական դաշտում հետագծի կորության երկայնքով, մոտավորապես հավասար է 1,5 10 7 մ/վ, իսկ համապատասխան կինետիկ էներգիան՝ մոտ 7,5 10 -13։ J (մոտ 4. 8 ՄէՎ): Այս արժեքը կարելի է հեշտությամբ որոշել հայտնի արժեքներծնող և դուստր միջուկների զանգվածները և հելիումի միջուկը: Թեև արտանետվող α-մասնիկի արագությունը հսկայական է, այն դեռևս լույսի արագության ընդամենը 5%-ն է, ուստի հաշվարկը կարող է օգտագործել կինետիկ էներգիայի ոչ հարաբերական արտահայտություն:

Ուսումնասիրությունները ցույց են տվել, որ ռադիոակտիվ նյութը կարող է արտանետել α-մասնիկներ մի քանի դիսկրետ էներգիայի արժեքներով։ Դա բացատրվում է նրանով, որ միջուկները, ինչպես ատոմները, կարող են լինել տարբեր գրգռված վիճակներում։ Դուստր միջուկը α-քայքայման ժամանակ կարող է լինել այս գրգռված վիճակներից մեկում: Այս միջուկի հետագա անցման ժամանակ հիմնական վիճակի արտանետվում է γ-քվանտ։ Ռադիումի α-քայքայման սխեման կինետիկ էներգիայի երկու արժեք ունեցող α-մասնիկների արտանետմամբ ներկայացված է նկ. 9.7.2.

Այսպիսով, միջուկների α-քայքայումը շատ դեպքերում ուղեկցվում է γ-ճառագայթմամբ։

α-քայքայման տեսության մեջ ենթադրվում է, որ միջուկների ներսում կարող են առաջանալ խմբեր, որոնք բաղկացած են երկու պրոտոնից և երկու նեյտրոնից, այսինքն՝ α-մասնիկից։ Մայր միջուկը α-մասնիկների համար է պոտենցիալ փոս, որը սահմանափակ է պոտենցիալ խոչընդոտ. Միջուկում α-մասնիկի էներգիան անբավարար է այս արգելքը հաղթահարելու համար (նկ. 9.7.3): α-մասնիկի արտանետումը միջուկից հնարավոր է միայն քվանտային մեխանիկական երևույթի շնորհիվ, որը կոչվում է. թունելի էֆեկտ. Համաձայն քվանտային մեխանիկա, պոտենցիալ պատնեշի տակով մասնիկի անցնելու ոչ զրոյական հավանականություն կա։ Թունելի երևույթն ունի հավանականական բնույթ։

Բետա քայքայումը.Բետա քայքայման ժամանակ միջուկից էլեկտրոն է արտանետվում: Միջուկների ներսում էլեկտրոնները չեն կարող գոյություն ունենալ (տե՛ս § 9.5), դրանք առաջանում են β-քայքայման ժամանակ՝ նեյտրոնի պրոտոնի փոխակերպման արդյունքում։ Այս գործընթացը կարող է տեղի ունենալ ոչ միայն միջուկի ներսում, այլ նաև ազատ նեյտրոնների դեպքում: Ազատ նեյտրոնի կյանքի միջին տևողությունը մոտ 15 րոպե է։ Երբ նեյտրոնը քայքայվում է պրոտոնի և էլեկտրոնի

Չափումները ցույց են տվել, որ այս գործընթացում առկա է էներգիայի պահպանման օրենքի ակնհայտ խախտում, քանի որ նեյտրոնի քայքայման արդյունքում առաջացող պրոտոնի և էլեկտրոնի ընդհանուր էներգիան ավելի քիչ է, քան նեյտրոնի էներգիան: 1931 թվականին Վ. Պաուլին առաջարկեց, որ նեյտրոնի քայքայման ժամանակ զրոյական զանգվածով և լիցք ունեցող մեկ այլ մասնիկ ազատվում է, որը խլում է դրա հետ կապված էներգիայի մի մասը։ Նոր մասնիկը կոչվում է նեյտրինո(փոքր նեյտրոն): Նեյտրինոյում լիցքի և զանգվածի բացակայության պատճառով այս մասնիկը շատ թույլ է փոխազդում նյութի ատոմների հետ, ուստի չափազանց դժվար է այն հայտնաբերել փորձի ժամանակ։ Նեյտրինոների իոնացնող ունակությունն այնքան փոքր է, որ օդում իոնացման մեկ գործողությունն ընկնում է ճանապարհի մոտավորապես 500 կմ-ի վրա: Այս մասնիկը հայտնաբերվել է միայն 1953 թվականին։ Ներկայումս հայտնի է, որ կան նեյտրինոների մի քանի տեսակներ։ Նեյտրոնների քայքայման գործընթացում առաջանում է մի մասնիկ, որը կոչվում է էլեկտրոնային հականեյտրինո. Այն նշվում է նշանով, հետևաբար, նեյտրոնների քայքայման ռեակցիան գրվում է այսպես

Նմանատիպ գործընթաց տեղի է ունենում նաև միջուկների ներսում β-քայքայման ժամանակ: Միջուկային նեյտրոններից մեկի քայքայման արդյունքում ձևավորված էլեկտրոնը անմիջապես դուրս է մղվում «մայր տնից» (միջուկից) հսկայական արագությամբ, որը կարող է տարբերվել լույսի արագությունից ընդամենը տոկոսի մասով: Քանի որ β-քայքայման ժամանակ արձակված էներգիայի բաշխումը էլեկտրոնի, նեյտրինոյի և դուստր միջուկի միջև պատահական է, β-էլեկտրոնները կարող են ունենալ տարբեր արագություններ լայն տիրույթում:

β-քայքայման ժամանակ լիցքավորման համարը Z-ն ավելանում է մեկով, իսկ զանգվածային թիվը մնում է անփոփոխ։ Դուստր միջուկը, պարզվում է, տարրի իզոտոպներից մեկի միջուկն է, որի հերթական համարը պարբերական համակարգում մեկով բարձր է սկզբնական միջուկի սերիական համարից։ Տիպիկ օրինակβ-քայքայումը կարող է ծառայել որպես ուրանի α-քայքայվելուց առաջացող թորիումի իզոտոնի փոխակերպումը պալադիումի

Գամմայի քայքայումը. Ի տարբերություն α- և β-ռադիոակտիվության, միջուկների γ-ռադիոակտիվությունը կապված չէ միջուկի ներքին կառուցվածքի փոփոխության հետ և չի ուղեկցվում լիցքի կամ զանգվածային թվերի փոփոխությամբ։ Եվ α- և β-քայքայման դեպքում դուստր միջուկը կարող է լինել գրգռված վիճակում և ունենալ էներգիայի ավելցուկ: Միջուկի անցումը գրգռված վիճակից հիմնական վիճակի ուղեկցվում է մեկ կամ մի քանի γ-քվանտների արտանետմամբ, որոնց էներգիան կարող է հասնել մի քանի ՄէՎ-ի։

Ռադիոակտիվ քայքայման օրենքը. Ռադիոակտիվ նյութի ցանկացած նմուշ պարունակում է հսկայական քանակությամբ ռադիոակտիվ ատոմներ։ Քանի որ ռադիոակտիվ քայքայումը պատահական է և կախված չէ արտաքին պայմանները, ապա չքայքայված k-ի N(t) թվի նվազման օրենքը ներկա պահըմիջուկների ժամանակը t կարող է ծառայել որպես ռադիոակտիվ քայքայման գործընթացի կարևոր վիճակագրական բնութագիր:

Թող չքայքայված միջուկների թիվը N(t) փոխվի ΔN-ով կարճ ժամանակահատվածում Δt< 0. Так как вероятность распада каждого ядра неизменна во времени, что число распадов будет пропорционально количеству ядер N(t) и промежутку времени Δt:

Համաչափության λ գործակիցը միջուկի քայքայման հավանականությունն է Δt = 1 վ ժամանակում։ Այս բանաձևը նշանակում է, որ N(t) ֆունկցիայի փոփոխության արագությունն ուղիղ համեմատական ​​է բուն ֆունկցիային։

որտեղ N 0 ռադիոակտիվ միջուկների սկզբնական թիվն է t = 0-ում: τ = 1 / λ ժամանակի ընթացքում չքայքայված միջուկների թիվը կնվազի e ≈ 2,7 անգամ: Թ արժեքը կոչվում է կյանքի միջին տևողությունըռադիոակտիվ միջուկ.

Գործնական օգտագործման համար հարմար է ռադիոակտիվ քայքայման օրենքը գրել այլ ձևով՝ օգտագործելով 2 թիվը որպես հիմք, և ոչ թե e.

T-ի արժեքը կոչվում է կես կյանք. T ժամանակի ընթացքում ռադիոակտիվ միջուկների սկզբնական թվի կեսը քայքայվում է։ T-ի և τ-ի արժեքները կապված են հարաբերության հետ

Կիսամյակը հիմնական մեծությունն է, որը բնութագրում է ռադիոակտիվ քայքայման արագությունը: Որքան կարճ է կիսատ կյանքը, այնքան ավելի ինտենսիվ է քայքայումը: Այսպիսով, ուրանի T ≈ 4,5 միլիարդ տարի, իսկ ռադիումի T ≈ 1600 տարի: Հետեւաբար, ռադիումի ակտիվությունը շատ ավելի բարձր է, քան ուրանի ակտիվությունը։ Կան ռադիոակտիվ տարրեր, որոնց կես կյանքը վայրկյանի մասն է:

Բնական պայմաններում չի հայտնաբերվել և ավարտվում է բիսմուտով: Այս ռադիոակտիվ քայքայման շարքը տեղի է ունենում միջուկային ռեակտորներ.

Հետաքրքիր հավելվածռադիոակտիվությունը ռադիոակտիվ իզոտոպների կոնցենտրացիայի միջոցով հնագիտական ​​և երկրաբանական գտածոների թվագրման մեթոդ է: Առավել հաճախ օգտագործվող մեթոդը ռադիոածխածնային թվագրումն է: Մթնոլորտում անկայուն ածխածնի իզոտոպ է առաջանում տիեզերական ճառագայթներից առաջացած միջուկային ռեակցիաների պատճառով։ Այս իզոտոպի փոքր տոկոսը հայտնաբերվում է օդում սովորական կայուն իզոտոպի հետ միասին: Բույսերը և այլ օրգանիզմները օգտագործում են ածխածինը օդից և երկու իզոտոպներն էլ կուտակում են նույն համամասնությամբ, ինչ օդում: Բույսերը մահանալուց հետո նրանք դադարում են ածխածնի օգտագործումը, և β-քայքայման արդյունքում անկայուն իզոտոպը աստիճանաբար վերածվում է ազոտի՝ 5730 տարի կիսամյակ։ ճանապարհ ճշգրիտ չափումՀին օրգանիզմների մնացորդներում ռադիոակտիվ ածխածնի հարաբերական կոնցենտրացիան կարող է որոշել նրանց մահվան ժամանակը:

Բոլոր տեսակի ռադիոակտիվ ճառագայթում (ալֆա, բետա, գամմա, նեյտրոններ), ինչպես նաև էլեկտրամագնիսական ճառագայթում ( ռենտգենյան ճառագայթներ) շատ ուժեղ կենսաբանական ազդեցություն ունեն կենդանի օրգանիզմների վրա, որը բաղկացած է կենդանի բջիջները կազմող ատոմների և մոլեկուլների գրգռման և իոնացման գործընթացներից։ Իոնացնող ճառագայթման ազդեցության տակ քայքայվում են բարդ մոլեկուլները և բջջային կառուցվածքները, ինչը հանգեցնում է մարմնի ճառագայթային վնասմանը: Ուստի ճառագայթման ցանկացած աղբյուրի հետ աշխատելիս անհրաժեշտ է ձեռնարկել բոլոր միջոցները, որպեսզի ճառագայթային պաշտպանությունմարդիկ, ովքեր կարող են ենթարկվել ճառագայթման.

Այնուամենայնիվ, կենցաղային պայմաններում մարդը կարող է ենթարկվել իոնացնող ճառագայթման: Ռադոնը՝ իներտ, անգույն, ռադիոակտիվ գազ, կարող է լուրջ վտանգ ներկայացնել մարդու առողջության համար։Ինչպես երևում է Նկ. 9.7.5, ռադոնը ռադիումի α-քայքայման արտադրյալ է և ունի կիսամյակ T = 3.82 օր: Ռադիումը փոքր քանակությամբ հանդիպում է հողում, ապարներում և տարբեր շինարարական կառույցներ. Չնայած համեմատաբար կարճ կյանքին, ռադոնի կոնցենտրացիան շարունակաբար համալրվում է ռադիումի միջուկների նոր քայքայման պատճառով, ուստի ռադոնը կարող է կուտակվել փակ տարածություններում: Մտնելով թոքեր՝ ռադոնն արտանետում է α-մասնիկներ և վերածվում պոլոնիումի, որը քիմիապես իներտ նյութ չէ։ Դրան հաջորդում է ուրանի շարքի ռադիոակտիվ փոխակերպումների շղթան (նկ. 9.7.5): Ըստ Ճառագայթային անվտանգության և վերահսկման ամերիկյան հանձնաժողովի՝ միջին վիճակագրական մարդը ռադոնից ստանում է իոնացնող ճառագայթման 55%-ը և միայն 11%-ը՝ բժշկական ծառայություններ. Տիեզերական ճառագայթների ներդրումը մոտավորապես 8% է: Ճառագայթման ընդհանուր չափաբաժինը, որը մարդը ստանում է կյանքի ընթացքում, շատ անգամ ավելի քիչ է առավելագույն թույլատրելի դոզան(SDA), որը ստեղծվել է իոնացնող ճառագայթման լրացուցիչ ազդեցության ենթարկված որոշակի մասնագիտությունների տեր մարդկանց համար:

Տրոհման ժամանակ թողարկվող E էներգիան ավելանում է Z 2 /A-ի ավելացման հետ: Z 2 /A = 17 արժեքը 89 Y-ի համար (իտրիում): Նրանք. տրոհումը էներգետիկ առումով բարենպաստ է բոլոր միջուկների համար, որոնք ավելի ծանր են, քան իտրիումը: Ինչու՞ են միջուկների մեծ մասը դիմացկուն ինքնաբուխ տրոհման: Այս հարցին պատասխանելու համար անհրաժեշտ է դիտարկել բաժանման մեխանիզմը:

տրոհման ժամանակ միջուկի ձևը փոխվում է։ Միջուկը հաջորդաբար անցնում է հետևյալ փուլերով (նկ. 7.1)՝ գնդիկ, էլիպսոիդ, համր, երկու տանձանման բեկոր, երկու գնդաձև բեկոր։ Ինչպե՞ս է փոխվում միջուկի պոտենցիալ էներգիան տրոհման տարբեր փուլերում:
Նախնական միջուկը խոշորացումով rընդունում է հեղափոխության ավելի ու ավելի ձգվող էլիպսոիդի ձևը: Այս դեպքում միջուկի ձևի էվոլյուցիայի շնորհիվ նրա պոտենցիալ էներգիայի փոփոխությունը որոշվում է մակերեսի և Կուլոնի էներգիաների գումարի փոփոխությամբ E p + E k: Այս դեպքում մակերևույթի էներգիան մեծանում է. քանի որ միջուկի մակերեսը մեծանում է. Կուլոնի էներգիան նվազում է, քանի որ պրոտոնների միջև միջին հեռավորությունը մեծանում է։ Եթե ​​փոքր դեֆորմացմամբ, որը բնութագրվում է փոքր պարամետրով, սկզբնական միջուկը ստանում է առանցքային սիմետրիկ էլիպսոիդի ձև, մակերևույթի էներգիան E" p և Կուլոնի էներգիան E" k որպես դեֆորմացիայի պարամետրի ֆունկցիաներ փոխվում են հետևյալ կերպ.

Հարաբերություններով (7,4–7,5) Ե n և Ե k-ն սկզբնական գնդաձեւ սիմետրիկ միջուկի մակերեսային և Կուլոնյան էներգիաներն են։
Ծանր միջուկների շրջանում՝ 2E n > Ek, և մակերեսի և Կուլոնի էներգիաների գումարը մեծանում է մեծանալու հետ։ (7.4) և (7.5)-ից հետևում է, որ փոքր դեֆորմացիաների դեպքում մակերևույթի էներգիայի ավելացումը կանխում է միջուկի ձևի հետագա փոփոխությունը և, հետևաբար, տրոհումը:
Հարաբերակցությունը (7.5) վավեր է փոքր շտամների համար: Եթե ​​դեֆորմացիան այնքան մեծ է, որ միջուկը ստանում է համրի տեսք, ապա մակերեսը և Կուլոնյան ուժերը հակված են բաժանել միջուկը և բեկորներին տալ գնդաձև ձև: Այսպիսով, միջուկի դեֆորմացիայի աստիճանական աճով, նրա պոտենցիալ էներգիան անցնում է առավելագույնի միջով: Միջուկի մակերևույթի և Կուլոնյան էներգիաների սյուժեն՝ որպես r-ի ֆունկցիա, ներկայացված է նկ. 7.2.

Պոտենցիալ պատնեշի առկայությունը կանխում է ակնթարթային ինքնաբուխ միջուկային տրոհումը: Որպեսզի միջուկը պառակտվի, նրան պետք է տրվի Q էներգիա, որը գերազանցում է H տրոհման արգելքի բարձրությունը: Ե + H տրոհվող միջուկի առավելագույն պոտենցիալ էներգիան (օրինակ՝ ոսկի) երկու նույնական բեկորների է ≈ 173 ՄէՎ։ , իսկ տրոհման ժամանակ արձակված E էներգիան 132 ՄէՎ է։ Այսպիսով, ոսկու միջուկի տրոհման ժամանակ անհրաժեշտ է հաղթահարել մոտ 40 ՄէՎ բարձրություն ունեցող պոտենցիալ արգելքը։
H տրոհման արգելքի բարձրությունը որքան մեծ է, այնքան փոքր է Կուլոնի և մակերեսային էներգիաների E-ի /E p-ի հարաբերությունը սկզբնական միջուկում: Այս հարաբերակցությունը, իր հերթին, աճում է բաժանման Z 2 /A պարամետրի աճով (7.3): Որքան ծանր է միջուկը, այնքան փոքր է տրոհման H-ի պատնեշի բարձրությունը, քանի որ տրոհման պարամետրը, ենթադրելով, որ Z-ը համաչափ է A-ին, մեծանում է զանգվածային թվի աճով.

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

(7.6)

Հետևաբար, ավելի ծանր միջուկներին, ընդհանուր առմամբ, անհրաժեշտ է ավելի քիչ էներգիա մատակարարել՝ միջուկային տրոհում առաջացնելու համար:
Ճեղքման արգելքի բարձրությունը անհետանում է 2E p – Ec = 0 (7.5): Այս դեպքում

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

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

Այսպիսով, ըստ կաթիլային մոդելի, Z 2 /A > 49 ունեցող միջուկները չեն կարող գոյություն ունենալ բնության մեջ, քանի որ դրանք պետք է ինքնաբերաբար բաժանվեն երկու բեկորների գրեթե ակնթարթորեն 10-22 վ կարգի միջուկային բնորոշ ժամանակում: Պոտենցիալ H-ի պատնեշի ձևի և բարձրության, ինչպես նաև տրոհման էներգիայի կախվածությունը Z 2 /A պարամետրի արժեքից ներկայացված են Նկ. 7.3.

Բրինձ. 7.3. Պոտենցիալ արգելքի ձևի և բարձրության ճառագայթային կախվածությունը և տրոհման էներգիան E Z 2 /A պարամետրի տարբեր արժեքներից: E p + E k արժեքը գծագրված է ուղղահայաց առանցքի վրա:

Ինքնաբուխ միջուկային տրոհում Z 2 /A-ով< 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 տարի 232 Th-ից մինչև 0,3 վրկ 260 Rf-ի համար:
Հարկադիր միջուկային տրոհում Z 2 /A-ով< 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.
Նեյտրոնի գրավման ժամանակ առաջացած E* միացության միջուկի գրգռման էներգիայի նվազագույն արժեքը հավասար է ε n միջուկում նեյտրոնի կապման էներգիային։ Աղյուսակ 7.1-ում համեմատվում է H արգելքի բարձրությունը և նեյտրոնների կապող էներգիան ε n Th, U, Pu իզոտոպների համար, որոնք ձևավորվել են նեյտրոնների որսալուց հետո: Նեյտրոնի կապի էներգիան կախված է միջուկի նեյտրոնների քանակից։ Զույգացման էներգիայի շնորհիվ զույգ նեյտրոնի միացման էներգիան ավելի մեծ է, քան կենտ նեյտրոնի կապի էներգիան։

Աղյուսակ 7.1

տրոհման արգելքի բարձրությունը H, նեյտրոնների միացման էներգիա ε n

Իզոտոպ	Ճեղքման արգելքի բարձրությունը H, MeV	Իզոտոպ	Նեյտրոնների միացման էներգիա ε n
232-րդ	5.9	233-րդ	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

բնորոշ հատկանիշտրոհումն այն է, որ բեկորները հակված են ունենալ տարբեր զանգվածներ: 235 U-ի ամենահավանական տրոհման դեպքում բեկորների զանգվածի հարաբերակցությունը միջինում ~1,5 է։ Ջերմային նեյտրոններով 235 U տրոհման բեկորների զանգվածային բաշխումը ներկայացված է Նկ. 7.4. Ամենահավանական տրոհման դեպքում ծանր բեկորն ունի 139 զանգվածային թիվը, թեթևինը` 95: Տրոհման արտադրատեսակների թվում կան բեկորներ A = 72 - 161 և Z = 30 - 65: Հավանականությունը տրոհվելու երկու բեկորների հավասար զանգվածը հավասար չէ զրոյի. Ջերմային նեյտրոնների միջոցով 235 U տրոհման դեպքում սիմետրիկ տրոհման հավանականությունը մոտավորապես երեք կարգով ցածր է, քան A = 139 և 95 բեկորների առավել հավանական տրոհման դեպքում:
Ասիմետրիկ տրոհումը բացատրվում է միջուկի թաղանթային կառուցվածքով։ Միջուկը հակված է պառակտվելու այնպես, որ յուրաքանչյուր հատվածի նուկլեոնների հիմնական մասը կազմում է ամենակայուն կախարդական միջուկը։
Նեյտրոնների և միջուկի պրոտոնների թվի հարաբերակցությունը 235 U N/Z = 1,55, մինչդեռ. կայուն իզոտոպներ, որոնք ունեն բեկորների զանգվածային թվին մոտ զանգվածային թիվ, այս հարաբերակցությունը 1,25 − 1,45 է։ Հետևաբար, տրոհման բեկորները շատ ծանրաբեռնված են նեյտրոններով և պետք է
β - ռադիոակտիվ: Հետևաբար, տրոհման բեկորները ունենում են հաջորդական β - քայքայում, և առաջնային բեկորի լիցքը կարող է փոխվել 4-6 միավորով: Ստորև ներկայացված է 97 Kr-ի ռադիոակտիվ քայքայման բնորոշ շղթա՝ 235 U-ի տրոհման ժամանակ ձևավորված բեկորներից մեկը.

Դրվագների գրգռումը, որն առաջացել է պրոտոնների և նեյտրոնների քանակի հարաբերակցության խախտմամբ, որը բնորոշ է կայուն միջուկներին, նույնպես հանվում է արագ տրոհման նեյտրոնների արտանետման պատճառով։ Այս նեյտրոններն արտանետվում են բեկորների տեղափոխմամբ ~ 10 -14 վրկ-ից պակաս ժամանակում: Միջին հաշվով, յուրաքանչյուր տրոհման իրադարձության ժամանակ արտանետվում է 2-3 արագ նեյտրոն: Նրանց էներգիայի սպեկտրը շարունակական է՝ առավելագույնը մոտ 1 ՄէՎ։ Արագ նեյտրոնի միջին էներգիան մոտ է 2 ՄէՎ-ին: Մեկից ավելի նեյտրոնի արտանետումը յուրաքանչյուր տրոհման իրադարձության ժամանակ հնարավորություն է տալիս էներգիա ստանալ միջուկային տրոհման շղթայական ռեակցիայի միջոցով։
Ջերմային նեյտրոնների կողմից 235 U-ի ամենահավանական տրոհման ժամանակ թեթև բեկորը (A = 95) ձեռք է բերում ≈ 100 ՄէՎ կինետիկ էներգիա, իսկ ծանրը (A = 139)՝ մոտ 67 ՄէՎ։ Այսպիսով, բեկորների ընդհանուր կինետիկ էներգիան ≈ 167 ՄէՎ է։ Ընդհանուր տրոհման էներգիան այս դեպքում 200 ՄէՎ է։ Այսպիսով, մնացած էներգիան (33 ՄէՎ) բաշխվում է տրոհման այլ արգասիքների միջև (β-ի նեյտրոններ, էլեկտրոններ և հականեյտրինոներ՝ բեկորների քայքայում, բեկորների γ-ճառագայթում և դրանց քայքայման արգասիքներ)։ Ջերմային նեյտրոնների միջոցով 235 U-ի տրոհման ժամանակ տարբեր արտադրատեսակների միջև տրոհման էներգիայի բաշխումը տրված է Աղյուսակ 7.2-ում:

Աղյուսակ 7.2

տրոհման էներգիայի բաշխում 235 U ջերմային նեյտրոններ

Միջուկային տրոհման արտադրանքները (NFs) 36 տարրերի ավելի քան 200 ռադիոակտիվ իզոտոպների համալիր խառնուրդ են (ցինկից մինչև գադոլինիում): Գործունեության մեծ մասը կազմված է կարճատև ռադիոնուկլիդներից։ Այսպիսով, պայթյունից 7, 49 և 343 օր հետո ՊՆԴ-ների ակտիվությունը նվազում է համապատասխանաբար 10, 100 և 1000 անգամ՝ համեմատած պայթյունից մեկ ժամ անց ակտիվության հետ։ Կենսաբանորեն առավել նշանակալի ռադիոնուկլիդների ելքը տրված է Աղյուսակ 7.3-ում: Ի լրումն PND-ի, ռադիոակտիվ աղտոտումն առաջանում է ինդուկտիվ ակտիվության ռադիոնուկլիդներով (3 H, 14 C, 28 Al, 24 Na, 56 Mn, 59 Fe, 60 Co և այլն) և ուրանի և պլուտոնիումի չբաժանված մասը: Հատկապես մեծ է հրահրված ակտիվության դերը ջերմամիջուկային պայթյուններում։

Աղյուսակ 7.3

Որոշ տրոհման արտադրանքի թողարկում միջուկային պայթյունի ժամանակ

Ռադիոնուկլիդ	Կես կյանք	Արդյունք մեկ բաժնի համար, %	Ակտիվությունը 1 Mt-ի համար, 10 15 Բք
89 Ս	50,5 օր	2.56	590
90 Ս	29.12 տարեկան	3.5	3.9
95 Զր	65 օր	5.07	920
103 Ru	41 օր	5.2	1500
106 Ru	365 օր	2.44	78
131 I	8.05 օր	2.9	4200
136Cs	13,2 օր	0.036	32
137Cs	30 տարի	5.57	5.9
140 Ba	12,8 օր	5.18	4700
141Cs	32,5 օր	4.58	1600
144Cs	288 օր	4.69	190
3Հ	12,3 տարեկան	0.01	2.6 10 -2

Մթնոլորտում միջուկային պայթյունների ժամանակ տեղումների զգալի մասը (ցամաքային պայթյունների դեպքում՝ մինչև 50%) ընկնում է փորձարկման տարածքի մոտ։ Ռադիոակտիվ նյութերի մի մասը պահպանվում է մթնոլորտի ստորին հատվածում և քամու ազդեցությամբ շարժվում է մեծ տարածություններով՝ մնալով մոտավորապես նույն լայնության վրա։ Մոտ մեկ ամիս գտնվելով օդում՝ ռադիոակտիվ նյութերն այս շարժման ընթացքում աստիճանաբար ընկնում են Երկիր։ Ռադիոնուկլիդների մեծ մասն արտազատվում է ստրատոսֆերա (մինչև 10÷15 կմ բարձրություն), որտեղ դրանք ցրված են ամբողջ աշխարհում և հիմնականում քայքայվում։
Միջուկային ռեակտորների նախագծման տարբեր տարրեր տասնամյակներ շարունակ բարձր ակտիվություն ունեն (Աղյուսակ 7.4)

Աղյուսակ 7.4

Ռեակտորից երեք տարի շահագործումից հետո հեռացված վառելիքի տարրերի հիմնական տրոհման արտադրանքի հատուկ ակտիվության արժեքները (Bq/t ուրան)

Ռադիոնուկլիդ	0	1 օր	120 օր	1 տարի		10 տարի
85 կր	5. 78· 10 14	5. 78· 10 14	5. 66· 10 14	5. 42· 10 14	4. 7· 10 14	3. 03· 10 14
89 Ս	4. 04· 10 16	3. 98· 10 16	5. 78· 10 15	2. 7· 10 14	1. 2· 10 10
90 Ս	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 Զր	7. 29· 10 16	7. 21· 10 16	1. 99· 10 16	1. 4· 10 15	5. 14· 10 11
95 Նբ	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 I	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
140 լ	8. 19· 10 16	8. 05· 10 16	1. 37· 10 14	2. 34· 10 8
141 թ	7. 36· 10 16	7. 25· 10 16	5. 73· 10 15	3. 08· 10 13	5. 33· 10 6
144 թ	5. 44· 10 16	5. 44· 10 16	4. 06· 10 16	2. 24· 10 16	3. 77· 10 15	7. 43· 10 12
Ժամը 143	6. 77· 10 16	6. 70· 10 16	1. 65· 10 14	6. 11· 10 8
Ժամը 147	7. 05 10 15	7. 05· 10 15	6. 78· 10 15	5. 68· 10 15	3. 35· 10 14

Ուրանի միջուկների տրոհումը նեյտրոններով ռմբակոծելով հայտնաբերվել է 1939 թվականին գերմանացի գիտնականներ Օտտո Հանը և Ֆրից Շտրասմանը։

Օտտո Հան (1879-1968)
Գերմանացի ֆիզիկոս, ռադիոքիմիայի բնագավառում առաջամարտիկ գիտնական։ Հայտնաբերել է ուրանի, մի շարք ռադիոակտիվ տարրերի տրոհումը

Ֆրից Ստրասման (1902-1980)
Գերմանացի ֆիզիկոս և քիմիկոս. Աշխատանքները վերաբերում են միջուկային քիմիայի, միջուկային տրոհման։ Քիմիական ապացույց է տվել տրոհման գործընթացին

Դիտարկենք այս երեւույթի մեխանիզմը։ Նկար 162-ը, պայմանականորեն պատկերում է ուրանի ատոմի միջուկը: Կլանելով լրացուցիչ նեյտրոն՝ միջուկը գրգռվում և դեֆորմացվում է՝ ձեռք բերելով երկարավուն ձև (նկ. 162, բ)։

Բրինձ. 162. Ուրանի միջուկի տրոհման գործընթացը դրա մեջ ընկած նեյտրոնի ազդեցության տակ.

Դուք արդեն գիտեք, որ միջուկում գործում են երկու տեսակի ուժեր՝ պրոտոնների միջև էլեկտրաստատիկ վանող ուժեր, որոնք հակված են կոտրել միջուկը, և միջուկային գրավիչ ուժեր բոլոր նուկլոնների միջև, որոնց պատճառով միջուկը չի քայքայվում։ Բայց միջուկային ուժերը կարճ հեռահարության են, հետևաբար, երկարաձգված միջուկում նրանք այլևս չեն կարող պահել միջուկի մասերը, որոնք շատ հեռու են միմյանցից: Էլեկտրաստատիկ վանող ուժերի ազդեցությամբ միջուկը պոկվում է երկու մասի (նկ. 162, գ), որոնք մեծ արագությամբ ցրվում են տարբեր ուղղություններով և արձակում 2-3 նեյտրոն։

Պարզվում է, որ միջուկի ներքին էներգիայի մի մասը վերածվում է թռչող բեկորների ու մասնիկների կինետիկ էներգիայի։ Բեկորներն արագ դանդաղում են շրջակա միջավայրում, ինչի արդյունքում դրանց կինետիկ էներգիան վերածվում է միջավայրի ներքին էներգիայի (այսինքն՝ փոխազդեցության էներգիայի և դրա բաղկացուցիչ մասնիկների ջերմային շարժման):

Ուրանի մեծ թվով միջուկների միաժամանակյա տրոհմամբ ներքին էներգիաուրանի շրջակա միջավայրը և, համապատասխանաբար, նրա ջերմաստիճանը նկատելիորեն բարձրանում է (այսինքն՝ շրջակա միջավայրը տաքանում է):

Այսպիսով, ուրանի միջուկների տրոհման ռեակցիան ընթանում է էներգիայի արտազատմամբ միջավայրը.

Ատոմների միջուկներում պարունակվող էներգիան հսկայական է։ Օրինակ, 1 գ ուրանի մեջ առկա բոլոր միջուկների ամբողջական տրոհման դեպքում կթողարկվի նույն քանակությամբ էներգիա, ինչ կթողարկվի 2,5 տոննա նավթի այրման ժամանակ: Ատոմային միջուկների ներքին էներգիան էլեկտրական էներգիայի վերածելու համար ատոմակայաններն օգտագործում են այսպես կոչված միջուկային տրոհման շղթայական ռեակցիաներ.

Դիտարկենք ուրանի իզոտոպի միջուկային տրոհման շղթայական ռեակցիայի մեխանիզմը։ Ուրանի ատոմի միջուկը (նկ. 163) նեյտրոնի գրավման արդյունքում բաժանվել է երկու մասի, միաժամանակ երեք նեյտրոն արձակելով։ Այս նեյտրոններից երկուսը առաջացրել են ևս երկու միջուկների տրոհման ռեակցիա՝ այդպիսով առաջացնելով չորս նեյտրոն։ Սրանք իրենց հերթին առաջացրել են չորս միջուկների տրոհում, որից հետո առաջացել են ինը նեյտրոններ և այլն։

Շղթայական ռեակցիան հնարավոր է շնորհիվ այն բանի, որ յուրաքանչյուր միջուկի տրոհման ժամանակ առաջանում է 2-3 նեյտրոն, որոնք կարող են մասնակցել այլ միջուկների տրոհմանը։

Նկար 163-ը ցույց է տալիս շղթայական ռեակցիայի դիագրամ, որում ընդհանուր թիվըՈւրանի մի կտորում ազատ նեյտրոնները ժամանակի ընթացքում ավելանում են ձնահյուսի պես: Համապատասխանաբար, կտրուկ աճում են միջուկային տրոհումների թիվը և մեկ միավոր ժամանակում թողարկվող էներգիան։ Հետեւաբար, նման ռեակցիան պայթյունավտանգ է (այն տեղի է ունենում ատոմային ռումբում)։

Բրինձ. 163. Ուրանի միջուկների տրոհման շղթայական ռեակցիա

Հնարավոր է մեկ այլ տարբերակ, որի դեպքում ազատ նեյտրոնների թիվը ժամանակի ընթացքում նվազում է։ Այս դեպքում շղթայական ռեակցիան դադարում է։ Հետեւաբար, նման ռեակցիան չի կարող օգտագործվել նաեւ էլեկտրաէներգիա արտադրելու համար։

Խաղաղ նպատակներով հնարավոր է օգտագործել միայն այնպիսի շղթայական ռեակցիայի էներգիան, որում նեյտրոնների թիվը ժամանակի ընթացքում չի փոխվում։

Ինչպե՞ս ապահովել, որ նեյտրոնների թիվը մշտապես մնա անփոփոխ: Այս խնդիրը լուծելու համար անհրաժեշտ է իմանալ, թե ինչ գործոններ են ազդում ուրանի մի կտորում ազատ նեյտրոնների ընդհանուր քանակի ավելացման և նվազման վրա, որում տեղի է ունենում շղթայական ռեակցիա։

Այդպիսի գործոններից է ուրանի զանգվածը։ Փաստն այն է, որ միջուկային տրոհման ժամանակ արտանետվող ամեն նեյտրոն չէ, որ առաջացնում է այլ միջուկների տրոհում (տե՛ս նկ. 163): Եթե ​​ուրանի կտորի զանգվածը (և, համապատասխանաբար, չափը) չափազանց փոքր է, ապա դրանից շատ նեյտրոններ դուրս կթռչեն՝ չհասցնելով ճանապարհին հանդիպել միջուկին, առաջացնել նրա տրոհումը և այդպիսով առաջացնել նոր սերունդ։ նեյտրոններ, որոնք անհրաժեշտ են ռեակցիան շարունակելու համար: Այս դեպքում շղթայական ռեակցիան կդադարի։ Որպեսզի ռեակցիան չդադարի, անհրաժեշտ է ուրանի զանգվածը հասցնել մինչև որոշակի արժեքկանչեց քննադատական.

Ինչու է շղթայական ռեակցիան հնարավոր դառնում զանգվածի մեծացման դեպքում: Որքան մեծ է կտորի զանգվածը, այնքան մեծ է դրա չափերը և այնքան երկար է նեյտրոնների ճանապարհը: Այս դեպքում նեյտրոնների միջուկներին հանդիպելու հավանականությունը մեծանում է։ Համապատասխանաբար աճում են միջուկային տրոհումների և արտանետվող նեյտրոնների թիվը։

Ուրանի կրիտիկական զանգվածում միջուկների տրոհման ժամանակ հայտնված նեյտրոնների թիվը հավասարվում է կորցրած նեյտրոնների թվին (այսինքն՝ առանց տրոհման և կտորից դուրս թռչող միջուկների կողմից):

Հետեւաբար, դրանց ընդհանուր թիվը մնում է անփոփոխ։ Այս դեպքում կարող է տեղի ունենալ շղթայական ռեակցիա երկար ժամանակ, առանց կանգ առնելու եւ առանց պայթյունավտանգ բնավորություն ձեռք բերելու։

• Ուրանի ամենափոքր զանգվածը, որի դեպքում հնարավոր է շղթայական ռեակցիա, կոչվում է կրիտիկական զանգված:

Եթե ​​ուրանի զանգվածը կրիտիկականից ավելի է, ապա ազատ նեյտրոնների քանակի կտրուկ աճի արդյունքում շղթայական ռեակցիան հանգեցնում է պայթյունի, իսկ եթե կրիտիկականից պակաս է, ապա ռեակցիան չի ընթանում ազատ նեյտրոնների բացակայություն.

Հնարավոր է նվազեցնել նեյտրոնների կորուստը (որոնք դուրս են թռչում ուրանի միջից՝ առանց միջուկների հետ փոխազդելու) ոչ միայն ուրանի զանգվածի մեծացման, այլ նաև հատուկ ռեֆլեկտիվ թաղանթի միջոցով։ Դրա համար ուրանի մի կտոր տեղադրում են նեյտրոնները լավ արտացոլող նյութից (օրինակ՝ բերիլիում) պատրաստված պատյանում։ Արտացոլվելով այս պատյանից՝ նեյտրոնները վերադառնում են ուրան և կարող են մասնակցել միջուկային տրոհմանը:

Կան մի քանի այլ գործոններ, որոնցից կախված է շղթայական ռեակցիայի հավանականությունը: Օրինակ, եթե ուրանի մի կտոր պարունակում է այլ քիմիական տարրերի չափազանց շատ կեղտեր, ապա դրանք կլանում են նեյտրոնների մեծ մասը, և ռեակցիան դադարում է:

Ուրանի մեջ այսպես կոչված նեյտրոնային մոդերատորի առկայությունը նույնպես ազդում է ռեակցիայի ընթացքի վրա։ Փաստն այն է, որ ուրանի 235 միջուկները, ամենայն հավանականությամբ, կարող են տրոհվել դանդաղ նեյտրոնների ազդեցության տակ: Միջուկային տրոհումից առաջանում են արագ նեյտրոններ։ Եթե ​​արագ նեյտրոնները դանդաղեցվեն, ապա դրանցից շատերը կգրավեն ուրանի-235 միջուկների կողմից՝ այդ միջուկների հետագա տրոհմամբ: Որպես մոդերատորներ օգտագործվում են այնպիսի նյութեր, ինչպիսիք են գրաֆիտը, ջուրը, ծանր ջուրը (որը ներառում է դեյտերիումը, ջրածնի 2 զանգվածային իզոտոպը) և որոշ այլ նյութեր։ Այս նյութերը միայն դանդաղեցնում են նեյտրոնները՝ գրեթե առանց դրանք կլանելու։

Այսպիսով, շղթայական ռեակցիայի հնարավորությունը որոշվում է ուրանի զանգվածով, դրանում առկա կեղտերի քանակով, կեղևի և մոդերատորի առկայությամբ և որոշ այլ գործոններով։

Ուրան-235 գնդաձեւ կտորի կրիտիկական զանգվածը մոտավորապես 50 կգ է: Ավելին, նրա շառավիղը ընդամենը 9 սմ է, քանի որ ուրանը շատ բարձր խտություն ունի։

Օգտագործելով մոդերատոր և ռեֆլեկտիվ պատյան և նվազեցնելով կեղտերի քանակը՝ հնարավոր է ուրանի կրիտիկական զանգվածը նվազեցնել մինչև 0,8 կգ։

Հարցեր

1. Ինչու՞ միջուկային տրոհումը կարող է սկսվել միայն այն ժամանակ, երբ այն դեֆորմացվում է կլանված նեյտրոնի ազդեցության տակ:
2. Ի՞նչ է գոյանում միջուկային տրոհման արդյունքում:
3. Ի՞նչ էներգիայով է անցնում միջուկի ներքին էներգիայի մի մասը նրա տրոհման ժամանակ. Ուրանի միջուկի բեկորների կինետիկ էներգիան շրջակա միջավայրում դրանց դանդաղեցման ժամանակ:
4. Ինչպե՞ս է ընթանում ուրանի միջուկների տրոհման ռեակցիան՝ էներգիայի արտանետմամբ շրջակա միջավայր կամ, ընդհակառակը, էներգիայի կլանմամբ:
5. Նկարագրե՛ք շղթայական ռեակցիայի մեխանիզմը՝ օգտագործելով Նկար 163-ը:
6. Որքա՞ն է ուրանի կրիտիկական զանգվածը:
7. Հնարավո՞ր է շղթայական ռեակցիա առաջանալ, եթե ուրանի զանգվածը կրիտիկականից փոքր է. ավելի քննադատական? Ինչո՞ւ։

>> ուրանի տրոհում

§ 107 ՈՒՐԱՆԻ միջուկների տրոհումը

Միայն որոշ ծանր տարրերի միջուկները կարելի է բաժանել մասերի։ Միջուկների տրոհման ժամանակ արտանետվում են երկու կամ երեք նեյտրոններ և - ճառագայթներ։ Միաժամանակ մեծ քանակությամբ էներգիա է ազատվում։

Ուրանի տրոհման հայտնաբերում.Ուրանի միջուկների տրոհումը հայտնաբերվել է 1938 թվականին գերմանացի գիտնականներ Օ.Հանի և Ֆ. Ստրասման. Նրանք պարզել են, որ երբ ուրանը ռմբակոծվում է նեյտրոններով, առաջանում են պարբերական համակարգի միջին մասի տարրեր՝ բարիում, կրիպտոն և այլն: Այնուամենայնիվ, այս փաստի ճիշտ մեկնաբանությունը հենց որպես նեյտրոնը գրաված ուրանի միջուկի տրոհում տրվել է 1939 թվականի սկզբին անգլիացի ֆիզիկոս Օ. Ֆրիշը ավստրիացի ֆիզիկոս Լ. Մեյթների հետ միասին։

Նեյտրոնի գրավումը ոչնչացնում է միջուկի կայունությունը։ Միջուկը հուզվում է և դառնում անկայուն, ինչը հանգեցնում է նրա բեկորների բաժանմանը։ Միջուկային տրոհումը հնարավոր է, քանի որ ծանր միջուկի հանգստի զանգվածը ավելի մեծ է, քան տրոհման ժամանակ առաջացած բեկորների մնացած զանգվածների գումարը: Հետևաբար, տեղի է ունենում էներգիայի արտազատում, որը համարժեք է հանգստի զանգվածի նվազմանը, որն ուղեկցում է տրոհմանը:

Ծանր միջուկների տրոհման հնարավորությունը կարելի է բացատրել նաև A զանգվածային թվից հատուկ կապող էներգիայի կախվածության գրաֆիկի միջոցով (տես նկ. 13.11): Պարբերական համակարգում զբաղեցրած տարրերի ատոմային միջուկների հատուկ կապակցման էներգիան վերջին տեղերը(A 200), մոտավորապես 1 ՄէՎ-ով պակաս, քան պարբերական համակարգի մեջտեղում տեղակայված տարրերի միջուկներում հատուկ կապակցման էներգիան (A 100): Հետևաբար, ծանր միջուկների տրոհման գործընթացը պարբերական համակարգի միջին մասի տարրերի միջուկների մեջ էներգետիկորեն բարենպաստ է։ Տրոհումից հետո համակարգը անցնում է նվազագույն ներքին էներգիայով վիճակի։ Ի վերջո, որքան մեծ է միջուկի կապակցման էներգիան, այնքան ավելի մեծ էներգիա պետք է արձակվի միջուկի առաջացման ժամանակ և, հետևաբար, այնքան ցածր լինի նոր ձևավորված համակարգի ներքին էներգիան։

Միջուկային տրոհման ժամանակ մեկ նուկլեոնի կապող էներգիան ավելանում է 1 ՄէՎ-ով, իսկ ընդհանուր թողարկվող էներգիան պետք է լինի հսկայական՝ մոտ 200 ՄէՎ։ Ոչ մի ուրիշի տակ միջուկային ռեակցիա(կապված չէ տրոհման հետ) նման մեծ էներգիաները չեն ազատվում:

Ուրանի միջուկի տրոհման ժամանակ արձակված էներգիայի ուղղակի չափումները հաստատեցին վերը նշված նկատառումները և տվեցին 200 ՄէՎ արժեք: Ընդ որում, այս էներգիայի մեծ մասը (168 ՄէՎ) ընկնում է բեկորների կինետիկ էներգիայի վրա։ Նկար 13.13-ում դուք տեսնում եք տրոհվող ուրանի բեկորների հետքերը ամպային խցիկում:

Միջուկային տրոհման ժամանակ արձակված էներգիան ավելի շուտ էլեկտրաստատիկ է, քան միջուկային: Մեծ կինետիկ էներգիան, որն ունեն բեկորները, առաջանում է նրանց Կուլոնյան վանման շնորհիվ։

միջուկային տրոհման մեխանիզմը.Միջուկային տրոհման գործընթացը կարելի է բացատրել միջուկի կաթիլային մոդելի հիման վրա։ Ըստ այս մոդելի՝ նուկլեոնների մի փունջ հիշեցնում է լիցքավորված հեղուկի կաթիլ (նկ. 13.14, ա): Միջուկային ուժերը նուկլոնների միջև կարճ հեռահարության են, ինչպես հեղուկ մոլեկուլների միջև գործող ուժերը։ Պրոտոնների միջև էլեկտրաստատիկ վանման ուժեղ ուժերի հետ մեկտեղ, որոնք հակված են պոկել միջուկը, կան նույնիսկ ավելի մեծ միջուկային ձգողական ուժեր։ Այս ուժերը խանգարում են միջուկի քայքայմանը:

Ուրանի 235 միջուկը գնդաձեւ է։ Կլանելով լրացուցիչ նեյտրոն՝ այն գրգռվում է և սկսում դեֆորմանալ՝ ձեռք բերելով երկարավուն ձև (նկ. 13.14, բ)։ Միջուկը կձգվի այնքան ժամանակ, մինչև երկարացած միջուկի կեսերի միջև ընկած վանող ուժերը սկսեն գերակշռել ծուղակում գործող գրավիչ ուժերին (նկ. 13.14, գ): Դրանից հետո այն պատռվում է երկու մասի (նկ. 13.14, դ):

Կուլոնյան վանող ուժերի գործողության ներքո այս բեկորները միմյանցից հեռանում են լույսի արագության 1/30-ին հավասար արագությամբ։

Նեյտրոնների արտանետումը տրոհման ժամանակ:Միջուկային տրոհման հիմնարար փաստը տրոհման ընթացքում երկու կամ երեք նեյտրոնների արտանետումն է։ Սա հնարավոր դարձրեց գործնական օգտագործումներմիջուկային էներգիա.

Հնարավոր է հասկանալ, թե ինչու են ազատ նեյտրոններ արտանետվում հետևյալ նկատառումներից. Հայտնի է, որ կայուն միջուկներում նեյտրոնների քանակի և պրոտոնների թվի հարաբերակցությունը մեծանում է ատոմային թվի աճով։ Հետևաբար, տրոհումից առաջացող բեկորներում նեյտրոնների հարաբերական թիվը ավելի մեծ է ստացվում, քան թույլատրելի է պարբերական աղյուսակի մեջտեղում գտնվող ատոմների միջուկների համար։ Արդյունքում տրոհման գործընթացում մի քանի նեյտրոններ են արձակվում։ Նրանց էներգիան է տարբեր իմաստներ- մի քանի միլիոն էլեկտրոն վոլտից մինչև շատ փոքր, մոտ զրոյի:

Սովորաբար տրոհումը տեղի է ունենում բեկորների տեսքով, որոնց զանգվածները տարբերվում են մոտ 1,5 անգամ։ Այս բեկորները շատ ռադիոակտիվ են, քանի որ պարունակում են ավելորդ քանակությամբ նեյտրոններ։ Մի շարք հաջորդական քայքայումների արդյունքում ի վերջո ստացվում են կայուն իզոտոպներ:

Եզրափակելով՝ նշում ենք, որ տեղի է ունենում նաև ուրանի միջուկների ինքնաբուխ տրոհում։ Այն հայտնաբերել են խորհրդային ֆիզիկոսներ Գ. Ն. Ֆլերովը և Կ. Սա երկու միլիոն անգամ ավելի երկար է, քան ուրանի քայքայման կես կյանքը:

Միջուկային տրոհման ռեակցիան ուղեկցվում է էներգիայի արտազատմամբ։

Դասի բովանդակությունը դասի ամփոփումաջակցություն շրջանակային դասի ներկայացման արագացուցիչ մեթոդներ ինտերակտիվ տեխնոլոգիաներ Պրակտիկա առաջադրանքներ և վարժություններ ինքնաքննության սեմինարներ, թրեյնինգներ, դեպքեր, որոնումներ տնային առաջադրանքների քննարկման հարցեր հռետորական հարցեր ուսանողներից Նկարազարդումներ աուդիո, տեսահոլովակներ և մուլտիմեդիալուսանկարներ, նկարներ գրաֆիկա, աղյուսակներ, սխեմաներ հումոր, անեկդոտներ, կատակներ, կոմիքսներ առակներ, ասացվածքներ, խաչբառեր, մեջբերումներ Հավելումներ վերացականներհոդվածներ չիպսեր հետաքրքրասեր խաբեբա թերթիկների համար դասագրքեր հիմնական և լրացուցիչ տերմինների բառարան այլ Դասագրքերի և դասերի կատարելագործումուղղել դասագրքի սխալներըԴասագրքի նորարարության տարրերի թարմացում դասագրքում՝ հնացած գիտելիքները նորերով փոխարինելով Միայն ուսուցիչների համար կատարյալ դասեր օրացուցային պլանմեկ տարով ուղեցույցներքննարկման ծրագրեր Ինտեգրված դասեր

1934 թվականին Է.Ֆերմին որոշեց ստանալ տրանսուրանի տարրեր՝ նեյտրոններով 238 U ճառագայթելով։ Է. Ֆերմիի գաղափարն այն էր, որ 239 U իզոտոպի β - քայքայման արդյունքում, քիմիական տարր Z = 93 ատոմային թվով: Այնուամենայնիվ, հնարավոր չեղավ բացահայտել 93-րդ տարրի ձևավորումը: Փոխարենը, Օ.Հանի և Ֆ. Ստրասմանի կողմից իրականացված ռադիոակտիվ տարրերի ռադիոքիմիական վերլուծության արդյունքում ցույց է տրվել, որ նեյտրոններով ուրանի ճառագայթման արտադրանքներից մեկը բարիումն է (Z = 56)՝ միջին ատոմային զանգվածի քիմիական տարր։ , մինչդեռ, ըստ Ֆերմիի տեսության ենթադրության, պետք է արտադրվեին տրանսուրանի տարրեր։
Լ. Մեյթները և Օ. Ֆրիշը առաջարկեցին, որ ուրանի միջուկի կողմից նեյտրոնի գրավման արդյունքում բաղադրյալ միջուկը բաժանվում է երկու մասի.

92 U + n → 56 Ba + 36 Kr + xn.

Ուրանի տրոհման գործընթացն ուղեկցվում է երկրորդական նեյտրոնների առաջացմամբ (x> 1), որոնք կարող են առաջացնել ուրանի այլ միջուկների տրոհում, ինչը բացում է տրոհման շղթայական ռեակցիայի առաջացման հնարավորությունը. մեկ նեյտրոնը կարող է առաջացնել ճյուղավորված շղթա։ ուրանի միջուկների տրոհման. Այս դեպքում տարանջատված միջուկների թիվը պետք է աճի էքսպոնենցիալ: Ն. Բորը և Ջ. Ուիլերը հաշվարկել են կրիտիկական էներգիան, որն անհրաժեշտ է 236 U միջուկի համար, որը ձևավորվել է 235 U իզոտոպի կողմից նեյտրոնի գրավման արդյունքում պառակտման համար։ Այս արժեքը 6,2 ՄէՎ է, ինչը պակաս է 236 U իզոտոպի գրգռման էներգիայից, որը ձևավորվել է 235 U ջերմային նեյտրոնի գրավման ժամանակ: Հետևաբար, երբ ջերմային նեյտրոնները գրավում են, հնարավոր է տրոհման շղթայական ռեակցիա 235 U-ի համար: ընդհանուր իզոտոպ 238 U, կրիտիկական էներգիան 5,9 ՄէՎ է, մինչդեռ ջերմային նեյտրոնը բռնելիս, ստացված 239 U միջուկի գրգռման էներգիան ընդամենը 5,2 ՄէՎ է։ Հետևաբար, բնության մեջ ամենատարածված 238 U իզոտոպի տրոհման շղթայական ռեակցիան ջերմային նեյտրոնների ազդեցության տակ անհնար է։ Մեկ տրոհման դեպքում արձակվում է ≈ 200 ՄէՎ էներգիա (համեմատության համար՝ in քիմիական ռեակցիաներռեակցիայի մեկ գործողությամբ այրվելով՝ արձակվում է ≈ 10 էՎ էներգիա): Ճեղքման շղթայական ռեակցիայի համար պայմաններ ստեղծելու հնարավորությունը հեռանկարներ բացեց շղթայական ռեակցիայի էներգիան օգտագործելու համար ատոմային ռեակտորներ և ատոմային զենքեր ստեղծելու համար։ Առաջին միջուկային ռեակտորը կառուցել է Է.Ֆերմին ԱՄՆ-ում 1942թ.-ին:ԽՍՀՄ-ում 1946թ.-ին գործարկվել է առաջին միջուկային ռեակտորը Ի.Կուրչատովի ղեկավարությամբ:1954թ.-ին Օբնինսկում սկսել է գործել աշխարհի առաջին ատոմակայանը: Ներկայումս էլեկտրաէներգիան արտադրվում է աշխարհի 30 երկրներում մոտ 440 միջուկային ռեակտորներում։
1940 թվականին Գ.Ֆլերովը և Կ.Պետրժակը հայտնաբերեցին ուրանի ինքնաբուխ տրոհումը։ Հետևյալ թվերը վկայում են փորձի բարդության մասին. 238 U իզոտոպի ինքնաբուխ տրոհման հետ կապված մասնակի կիսամյակը 10 16 – 10 17 տարի է, մինչդեռ 238 U իզոտոպի քայքայման շրջանը 4,5∙10 9 տարի է: 238 U իզոտոպի քայքայման հիմնական ալիքը α-քայքայումն է: 238 U իզոտոպի ինքնաբուխ տրոհումը դիտարկելու համար անհրաժեշտ էր գրանցել մեկ տրոհման իրադարձություն 10 7 –10 8 α-քայքայման իրադարձությունների ֆոնի վրա։
Ինքնաբուխ տրոհման հավանականությունը հիմնականում որոշվում է տրոհման պատնեշի թափանցելիությամբ։ Ինքնաբուխ տրոհման հավանականությունը մեծանում է միջուկի լիցքի ավելացման հետ, քանի որ. սա մեծացնում է բաժանման Z 2 /A պարամետրը: Z իզոտոպներում< 92-95 деление происходит преимущественно с образованием двух осколков деления с отношением масс тяжёлого и лёгкого осколков 3:2. В изотопах Z >100, գերակշռում է սիմետրիկ տրոհումը նույն զանգվածի բեկորների առաջացմամբ։ Քանի որ միջուկի լիցքը մեծանում է, ինքնաբուխ տրոհման մասնաբաժինը α-քայքայման համեմատ մեծանում է:

Իզոտոպ	Կես կյանք	քայքայման ուղիները
235 U	7.04 10 8 տարի	α (100%), SF (7 10 -9%)
238 U	4.47 10 9 տարի	α (100%), SF (5.5 10 -5%)
240 Pu	6.56 10 3 տարի	α (100%), SF (5.7 10 -6%)
242 Pu	3,75 10 5 տարի	α (100%), SF (5.5 10 -4%)
246 սմ	4.76 10 3 տարի	α (99,97%), SF (0,03%)
252 տես	2.64 տարեկան	α (96,91%), SF (3,09%)
254 տես	60,5 տարեկան	α (0.31%), SF (99.69%)
256 տես	12,3 տարեկան	α (7.04 10 -8%), SF (100%)

Միջուկային տրոհում. Պատմություն

1934 թ- Է.Ֆերմին, ուրանը ջերմային նեյտրոններով ճառագայթելով, ռեակցիայի արգասիքների մեջ հայտնաբերել է ռադիոակտիվ միջուկներ, որոնց բնույթը չի հաջողվել պարզել:
Լ.Սիլարդը առաջ քաշեց միջուկային շղթայական ռեակցիայի գաղափարը։

1939 թ- Օ. Հանը և Ֆ. Ստրասմանը հայտնաբերեցին բարիում ռեակցիայի արտադրանքներից:
Լ. Մեյթները և Օ. Ֆրիշն առաջին անգամ հայտարարեցին, որ նեյտրոնների ազդեցության տակ ուրանը տրոհվել է զանգվածով համադրելի երկու բեկորների։
N. Bohr-ը և J. Wheeler-ը տվել են միջուկային տրոհման քանակական մեկնաբանություն՝ ներկայացնելով տրոհման պարամետրը։
Յա Ֆրենկելը մշակել է դանդաղ նեյտրոնների միջոցով միջուկային տրոհման կաթիլային տեսությունը։
Լ. Զիլարդը, Է. Վիգները, Է. Ֆերմին, Ջ. Ուիլերը, Ֆ. Ջոլիոտ-Կյուրին, Յա. Զելդովիչը, Յու. Խարիտոնը հիմնավորեցին ուրանի մեջ միջուկային տրոհման շղթայական ռեակցիայի հավանականությունը։

1940 թ− Գ.Ֆլերովը և Կ.Պետրժակը հայտնաբերել են U ուրանի միջուկների ինքնաբուխ տրոհման ֆենոմենը։

1942 թ− Է.Ֆերմին առաջին ատոմային ռեակտորում իրականացրել է կառավարվող տրոհման շղթայական ռեակցիա։

1945 թ− Միջուկային զենքի առաջին փորձարկումը (Նևադա, ԱՄՆ): Ատոմային ռումբեր են նետվել ճապոնական Հիրոսիմա (օգոստոսի 6) և Նագասակի (օգոստոսի 9) քաղաքների վրա։

1946 թ− ղեկավարությամբ Ի.Վ. Կուրչատովը գործարկվեց Եվրոպայում առաջին ռեակտորը։

1954 թ− Գործարկվեց աշխարհում առաջին ատոմակայանը (Օբնինսկ, ԽՍՀՄ):

Միջուկային տրոհում.1934 թվականից Է.Ֆերմին սկսեց օգտագործել նեյտրոններ ատոմները ռմբակոծելու համար։ Այդ ժամանակից ի վեր արհեստական ​​փոխակերպման արդյունքում ստացված կայուն կամ ռադիոակտիվ միջուկների թիվը հասել է հարյուրավորի, և պարբերական աղյուսակի գրեթե բոլոր տեղերը լցված են իզոտոպներով։
Այս բոլոր միջուկային ռեակցիաներում առաջացող ատոմները պարբերական աղյուսակում զբաղեցնում էին նույն տեղը, ինչ ռմբակոծված ատոմը կամ հարևան վայրերը: Հետևաբար, 1938 թվականին Հանի և Շտրասմանի ապացույցն այն մասին, որ երբ նեյտրոնները ռմբակոծում են պարբերական համակարգի վերջին տարրը.−ուրան−քայքայվում են տարրերի, որոնք գտնվում են պարբերական համակարգի միջին մասերում: Այստեղ հանդես գալով տարբեր տեսակներքայքայումը. Ատոմները, որոնք առաջանում են, հիմնականում անկայուն են և անմիջապես քայքայվում են. ոմանց կես կյանքը չափվում է վայրկյաններով, ուստի Գանը ստիպված էր դիմել վերլուծական մեթոդԿյուրին երկարաձգել նման արագ գործընթացը։ Կարևոր է նշել, որ ուրանի առջև գտնվող տարրերը՝ պրոտակտինիումը և թորիումը, նույնպես նեյտրոնների ազդեցության տակ ցույց են տալիս նմանատիպ քայքայում, թեև քայքայումը սկսելու համար ավելի մեծ նեյտրոնային էներգիա է պահանջվում, քան ուրանի դեպքում։ Դրան զուգահեռ, 1940 թվականին Գ. Ն. Ֆլերովը և Կ.· 10 15 տարի; այս փաստը պարզ է դառնում գործընթացում արձակված նեյտրոնների շնորհիվ։ Այսպիսով, հնարավոր էր հասկանալ, թե ինչու է «բնական» պարբերական համակարգը ավարտվում երեք անվանված տարրերով: Տրանսուրանի տարրերն այժմ հայտնի են, բայց դրանք այնքան անկայուն են, որ արագ քայքայվում են:
Ուրանի տրոհումը նեյտրոնների միջոցով այժմ հնարավորություն է տալիս օգտագործել ատոմային էներգիա, որն արդեն շատերի կողմից պատկերացվել է որպես «Ժյուլ Վեռնի երազանք»։

M. Laue, Ֆիզիկայի պատմություն

1939 Օ. Հանը և Ֆ. Ստրասմանը, ուրանի աղերը ջերմային նեյտրոններով ճառագայթելով, հայտնաբերված ռեակցիայի արտադրանքներից բարիում (Z = 56)

Օտտո Գանն (1879 – 1968)

Միջուկային տրոհումը միջուկի պառակտումն է երկու (հազվադեպ երեք) միանման զանգվածներով միջուկների, որոնք կոչվում են տրոհման բեկորներ։ Ճեղքման ժամանակ առաջանում են նաև այլ մասնիկներ՝ նեյտրոններ, էլեկտրոններ, α-մասնիկներ։ Տրոհման արդյունքում ազատվում է ~200 ՄէՎ էներգիա։ Պառակտումը կարող է լինել ինքնաբուխ կամ հարկադիր այլ մասնիկների, առավել հաճախ նեյտրոնների ազդեցության տակ:
Տրոհման բնորոշ առանձնահատկությունն այն է, որ տրոհման բեկորները, որպես կանոն, էապես տարբերվում են զանգվածով, այսինքն՝ գերակշռում է ասիմետրիկ տրոհումը։ Այսպիսով, ուրանի 236 U իզոտոպի ամենահավանական տրոհման դեպքում բեկորային զանգվածի հարաբերակցությունը 1,46 է։ Ծանր բեկորն ունի 139 զանգվածային թիվ (քսենոն), իսկ թեթև բեկորը՝ 95 (ստրոնցիում)։ Հաշվի առնելով երկու արագ նեյտրոնների արտանետումը, դիտարկվող տրոհման ռեակցիան ունի ձև

Նոբելյան մրցանակ քիմիայի բնագավառում
1944 - Օ. Գան.
Նեյտրոնների կողմից ուրանի միջուկների տրոհման ռեակցիայի հայտնաբերման համար։

Ճեղքման բեկորներ

Բեկորների թեթև և ծանր խմբերի միջին զանգվածների կախվածությունը տրոհվող միջուկի զանգվածից։

Միջուկային տրոհման հայտնաբերում. 1939 թ

Ես եկա Շվեդիա, որտեղ Լիզ Մեյթները տառապում էր մենակությունից, և որպես նվիրյալ եղբորորդի՝ որոշեցի այցելել նրան Սուրբ Ծննդին։ Նա ապրում էր Գյոթեբորգի մոտ գտնվող Kungälv փոքրիկ հյուրանոցում: Ես բռնեցի նրան նախաճաշի ժամանակ: Նա մտածեց այն նամակը, որը հենց նոր էր ստացել Հանից։ Ես շատ թերահավատորեն էի վերաբերվում նամակի բովանդակությանը, որտեղ հաղորդվում էր բարիումի առաջացման մասին՝ ուրանը նեյտրոններով ճառագայթելով։ Սակայն նրան գրավել է այս հնարավորությունը։ Մենք քայլում էինք ձյան մեջ, նա քայլում էր, ես դահուկ քշում (նա ասաց, որ կարող է այդպես վարվել առանց հետս ընկնելու, և նա դա ապացուցեց): Զբոսանքի ավարտին մենք արդեն կարողացանք որոշ եզրակացություններ անել. միջուկը չպառակտվեց, և կտորները չթռվեցին դրանից, բայց դա մի գործընթաց էր, որը ավելի շուտ նման էր Բորի միջուկի կաթիլային մոդելին. ինչպես կաթիլը, միջուկը կարող էր երկարանալ և բաժանվել: Հետո ես ուսումնասիրեցի, թե ինչպես էլեկտրական լիցքնուկլեոնները նվազեցնում են մակերևութային լարվածությունը, որը, ինչպես ես կարողացա հաստատել, իջնում ​​է զրոյի Z = 100-ում և, հավանաբար, շատ փոքր է ուրանի համար: Լիզ Մեյթները զբաղվում էր զանգվածային թերության պատճառով յուրաքանչյուր քայքայման ժամանակ թողարկվող էներգիայի որոշմամբ։ Նա շատ հստակ պատկերացում ուներ զանգվածային արատների կորի մասին: Պարզվեց, որ էլեկտրաստատիկ վանման շնորհիվ տրոհման տարրերը ձեռք կբերեն մոտ 200 ՄէՎ էներգիա, և դա պարզապես համապատասխանում է զանգվածային թերության հետ կապված էներգիային։ Հետևաբար, գործընթացը կարող էր զուտ դասական ընթանալ՝ առանց պոտենցիալ պատնեշի միջով անցնելու հայեցակարգի ներգրավման, ինչը, իհարկե, այստեղ անօգուտ կստացվեր։
Սուրբ Ծննդին երկու-երեք օր միասին անցկացրինք: Հետո վերադարձա Կոպենհագեն և հազիվ հասցրի Բորին պատմել մեր գաղափարի մասին հենց այն պահին, երբ նա արդեն շոգենավ էր բարձրանում դեպի ԱՄՆ։ Հիշում եմ, թե ինչպես նա ապտակեց իր ճակատին, հենց որ ես սկսեցի խոսել և բացականչեցի. «Օ՜, ինչ հիմար էինք մենք։ Սա պետք է շուտ նկատեինք»։ Բայց նա չնկատեց, և ոչ ոք չնկատեց։
Ես և Լիզ Մեյթները հոդված ենք գրել։ Միևնույն ժամանակ, մենք անընդհատ կապ էինք պահպանում միջքաղաքային Կոպենհագեն-Ստոկհոլմ հեռախոսով:

O. Frisch, Memoirs. UFN. 1968. T. 96, թողարկում 4, էջ 10: 697 թ.

Ինքնաբուխ միջուկային տրոհում

Ստորև նկարագրված փորձերում մենք օգտագործեցինք առաջին անգամ Ֆրիշի առաջարկած մեթոդը՝ միջուկային տրոհման գործընթացները գրանցելու համար։ Ուրանի օքսիդի շերտով պատված թիթեղներով իոնացման խցիկը միացված է գծային ուժեղացուցիչին, որը կարգավորվում է այնպես, որ ուրանից արտանետվող α մասնիկները չեն գրանցվում համակարգի կողմից. բեկորների իմպուլսները, որոնք շատ ավելի մեծ են, քան α-մասնիկների իմպուլսները, բացում են ելքային թիրատրոնը և համարվում են մեխանիկական ռելե։
Իոնացման խցիկը հատուկ նախագծվել է բազմաշերտ հարթ կոնդենսատորի տեսքով ընդհանուր մակերեսով 15 թիթեղ 1000 սմ-ում:Իրարից 3 մմ հեռավորության վրա գտնվող թիթեղները պատված են ուրանի օքսիդի շերտով 10-20 մգ/սմ. 2 .
Բեկորները հաշվելու համար հարմարեցված ուժեղացուցիչով առաջին փորձերի ժամանակ հնարավոր եղավ դիտել ինքնաբուխ (նեյտրոնային աղբյուրի բացակայության դեպքում) իմպուլսներ ռելեի և օսցիլոսկոպի վրա։ Այդ իմպուլսների թիվը փոքր էր (6 ժամում), և միանգամայն հասկանալի է, հետևաբար, որ այս երևույթը հնարավոր չէր դիտարկել սովորական տիպի տեսախցիկներով ...
Մենք հակված ենք այդպես մտածել այն ազդեցությունը, որը մենք դիտում ենք, պետք է վերագրել ուրանի ինքնաբուխ տրոհումից առաջացած բեկորներին...

Ինքնաբուխ տրոհումը պետք է վերագրվի չգրգռված U իզոտոպներից մեկին՝ մեր արդյունքների գնահատումից ստացված կիսատևողությամբ.

U 238 – 10 16 ~ 10 17 տարիներ,
U 235 – 10 14 ~ 10 15 տարիներ,
U 234 – 10 12 ~ 10 13 տարիներ։

Իզոտոպների քայքայումը 238 U

Ինքնաբուխ միջուկային տրոհում

Ինքնաբուխ ճեղքվող իզոտոպների կիսաքայքայման ժամկետները Z = 92 - 100

Ուրան-գրաֆիտային ցանցով առաջին փորձարարական համակարգը կառուցվել է 1941 թվականին Է.Ֆերմիի ղեկավարությամբ։ Դա գրաֆիտի խորանարդ էր՝ 2,5 մ երկարությամբ կողով, որը պարունակում էր մոտ 7 տոննա ուրանի օքսիդ՝ փակված երկաթե անոթների մեջ, որոնք տեղադրվում էին խորանարդի մեջ միմյանցից հավասար հեռավորության վրա։ RaBe նեյտրոնային աղբյուրը տեղադրվել է ուրան-գրաֆիտ ցանցի հատակին: Նման համակարգում բազմապատկման գործակիցը ≈0,7 էր: Ուրանի օքսիդը պարունակում էր 2-ից 5% կեղտ: Հետագա ջանքերն ուղղված էին ավելին ստանալուն մաքուր նյութերիսկ 1942 թվականի մայիսին ստացվել է ուրանի օքսիդ, որի մեջ կեղտը 1%-ից պակաս էր։ Ճեղքման շղթայական ռեակցիա ապահովելու համար անհրաժեշտ էր օգտագործել մեծ քանակությամբ գրաֆիտ և ուրան՝ մի քանի տոննա կարգի: Աղտոտվածությունը պետք է լինի միլիոնից մի քանի մասից պակաս: Ռեակտորը, որը հավաքվել էր 1942 թվականի վերջին Ֆերմիի կողմից Չիկագոյի համալսարանում, վերևից կտրված թերի գնդաձևի ձև ուներ։ Այն պարունակում էր 40 տոննա ուրան և 385 տոննա գրաֆիտ։ 1942 թվականի դեկտեմբերի 2-ի երեկոյան, նեյտրոնների կլանիչ ձողերը հեռացնելուց հետո, պարզվեց, որ ռեակտորի ներսում միջուկային շղթայական ռեակցիա է տեղի ունենում։ Չափված գործակիցը կազմել է 1.0006։ Սկզբում ռեակտորը աշխատում էր 0,5 Վտ հզորության մակարդակով։ Դեկտեմբերի 12-ին նրա հզորությունը հասցվեց 200 վտ-ի: Այնուհետև ռեակտորը տեղափոխվել է ավելին ապահով վայր, և նրա հզորությունը հասցվեց մի քանի կՎտ-ի։ Այս դեպքում ռեակտորը օրական սպառել է 0,002 գ ուրան-235։

ԽՍՀՄ առաջին միջուկային ռեակտորը

ԽՍՀՄ-ում առաջին F-1 հետազոտական ​​միջուկային ռեակտորի շենքը պատրաստ էր մինչև 1946 թվականի հունիսը։
Բոլոր անհրաժեշտ փորձերը կատարելուց հետո մշակվել է ռեակտորի կառավարման և պաշտպանության համակարգը, սահմանվել են ռեակտորի չափերը, կատարվել են բոլոր անհրաժեշտ փորձերը ռեակտորի մոդելներով, որոշ մոդելների վրա որոշվել է նեյտրոնների խտությունը, ստացվել են գրաֆիտի բլոկներ։ (այսպես կոչված միջուկային մաքրություն) և (նեյտրոն-ֆիզիկական ստուգումներից հետո) ուրանի բլոկները 1946 թվականի նոյեմբերին սկսեցին F-1 ռեակտորի կառուցումը։
Ռեակտորի ընդհանուր շառավիղը կազմում էր 3,8 մ, դրա համար պահանջվում էր 400 տոննա գրաֆիտ և 45 տոննա ուրան։ Ռեակտորը հավաքվել է շերտերով, իսկ 1946 թվականի դեկտեմբերի 25-ին ժամը 15.00-ին հավաքվել է վերջին՝ 62-րդ շերտը։ Այսպես կոչված վթարային ձողերի արդյունահանումից հետո հսկիչ ձողը բարձրացվեց, նեյտրոնների խտությունը սկսեց հաշվել, և 1946 թվականի դեկտեմբերի 25-ին ժամը 18:00-ին ԽՍՀՄ առաջին ռեակտորը կյանքի կոչվեց։ Դա հուզիչ հաղթանակ էր գիտնականների համար՝ միջուկային ռեակտորի ստեղծողների և ամեն ինչի համար Խորհրդային ժողովուրդ. Մեկուկես տարի անց՝ 1948 թվականի հունիսի 10-ին, ջրանցքներում ջրով արդյունաբերական ռեակտորը հասավ կրիտիկական վիճակի և շուտով սկսեց միջուկային վառելիքի նոր տեսակի՝ պլուտոնիումի արդյունաբերական արտադրությունը։