Quella che viene chiamata reazione di fissione nucleare. Fissione del nucleo di uranio

Classe

Lezione n. 42-43

Reazione a catena fissione dei nuclei di uranio. Energia nucleare ed ecologia. Radioattività. Metà vita.

Reazioni nucleari

Una reazione nucleare è un processo di interazione nucleo atomico con un altro nucleo o particella elementare, accompagnato da un cambiamento nella composizione e struttura del nucleo e dal rilascio di particelle secondarie o γ-quanta.

Come risultato delle reazioni nucleari, possono formarsi nuovi isotopi radioattivi che non si trovano sulla Terra vivo.

La prima reazione nucleare fu condotta da E. Rutherford nel 1919 in esperimenti per rilevare i protoni nei prodotti di decadimento nucleare (vedi § 9.5). Rutherford ha bombardato gli atomi di azoto con particelle alfa. Quando le particelle si sono scontrate, si è verificata una reazione nucleare, che è avvenuta secondo il seguente schema:

Durante le reazioni nucleari, diversi leggi di conservazione: quantità di moto, energia, momento angolare, carica. Oltre a queste leggi di conservazione classiche, la cosiddetta legge di conservazione vale nelle reazioni nucleari. carica barionica(cioè il numero di nucleoni - protoni e neutroni). Vale anche una serie di altre leggi di conservazione specifiche della fisica nucleare e della fisica delle particelle elementari.

Le reazioni nucleari possono procedere quando gli atomi sono bombardati da particelle a carica rapida (protoni, neutroni, particelle α, ioni). La prima reazione di questo tipo è stata effettuata utilizzando protoni ad alta energia ottenuti all'acceleratore nel 1932:

dove M A e M B sono le masse dei prodotti iniziali, M C e M D sono le masse prodotti finali reazioni. Viene chiamato il valore ΔM difetto di massa. Le reazioni nucleari possono procedere con il rilascio (Q > 0) o con l'assorbimento di energia (Q< 0). Во втором случае первоначальная кинетическая энергия исходных продуктов должна превышать величину |Q|, которая называется порогом реакции.

Affinché una reazione nucleare abbia un rendimento energetico positivo, energia di legame specifica nucleoni nei nuclei dei prodotti iniziali dovrebbero essere inferiori energia specifica legami di nucleoni nei nuclei dei prodotti finali. Ciò significa che ΔM deve essere positivo.

Esistono due modi fondamentalmente diversi di rilasciare energia nucleare.

1. Fissione di nuclei pesanti. In contrasto con il decadimento radioattivo dei nuclei, accompagnato dall'emissione di particelle α o β, le reazioni di fissione sono un processo in cui un nucleo instabile è diviso in due grandi frammenti di masse comparabili.

Nel 1939, gli scienziati tedeschi O. Hahn e F. Strassmann scoprirono la fissione dei nuclei di uranio. Continuando la ricerca iniziata da Fermi, hanno scoperto che quando l'uranio viene bombardato con neutroni, gli elementi della parte centrale sistema periodico– isotopi radioattivi di bario (Z = 56), krypton (Z = 36), ecc.

L'uranio si presenta in natura sotto forma di due isotopi: (99,3%) e (0,7%). Quando vengono bombardati da neutroni, i nuclei di entrambi gli isotopi possono dividersi in due frammenti. In questo caso, la reazione di fissione procede più intensamente con neutroni lenti (termici), mentre i nuclei entrano in una reazione di fissione solo con neutroni veloci con un'energia dell'ordine di 1 MeV.

Interesse principale per energia nucleare rappresenta la reazione di fissione di un nucleo Attualmente sono noti circa 100 diversi isotopi con numeri di massa da circa 90 a 145, derivanti dalla fissione di questo nucleo. Due tipiche reazioni di fissione di questo nucleo hanno la forma:

Si noti che come risultato della fissione nucleare avviata da un neutrone, vengono prodotti nuovi neutroni che possono causare reazioni di fissione in altri nuclei. I prodotti di fissione dei nuclei di uranio-235 possono essere anche altri isotopi di bario, xeno, stronzio, rubidio, ecc.

L'energia cinetica rilasciata durante la fissione di un nucleo di uranio è enorme - circa 200 MeV. L'energia rilasciata durante la fissione nucleare può essere stimata utilizzando energia di legame specifica nucleoni nel nucleo. L'energia di legame specifica dei nucleoni nei nuclei con numero di massa A ≈ 240 è di circa 7,6 MeV/nucleone, mentre nei nuclei con numero di massa A = 90–145 l'energia specifica è approssimativamente pari a 8,5 MeV/nucleone. Pertanto, la fissione di un nucleo di uranio rilascia un'energia dell'ordine di 0,9 MeV/nucleone, o circa 210 MeV per atomo di uranio. Con la completa fissione di tutti i nuclei contenuti in 1 g di uranio, viene rilasciata la stessa energia che durante la combustione di 3 tonnellate di carbone o 2,5 tonnellate di petrolio.

I prodotti di fissione del nucleo di uranio sono instabili, poiché contengono un numero significativo di neutroni in eccesso. Infatti, il rapporto N / Z per i nuclei più pesanti è di circa 1,6 (Fig. 9.6.2), per i nuclei con numeri di massa da 90 a 145 questo rapporto è di circa 1,3–1,4. Pertanto, i nuclei dei frammenti subiscono una serie di β - decadimenti successivi, a seguito dei quali aumenta il numero di protoni nel nucleo e il numero di neutroni diminuisce fino a formare un nucleo stabile.

Nella fissione di un nucleo di uranio-235, che è causata da una collisione con un neutrone, vengono rilasciati 2 o 3 neutroni. In condizioni favorevoli, questi neutroni possono colpire altri nuclei di uranio e provocarne la fissione. In questa fase appariranno già da 4 a 9 neutroni, in grado di causare nuovi decadimenti di nuclei di uranio, ecc. Un tale processo simile a una valanga è chiamato reazione a catena. Schema di sviluppo reazione a catena la fissione dei nuclei di uranio è mostrata in fig. 9.8.1.

Figura 9.8.1. Schema di sviluppo di una reazione a catena.

Perché avvenga una reazione a catena, è necessario che il cosiddetto fattore di moltiplicazione dei neutroni era maggiore di uno. In altre parole, dovrebbero esserci più neutroni in ogni generazione successiva rispetto a quella precedente. Il fattore di moltiplicazione è determinato non solo dal numero di neutroni prodotti in ciascun evento elementare, ma anche dalle condizioni in cui procede la reazione: alcuni neutroni possono essere assorbiti da altri nuclei o lasciare la zona di reazione. I neutroni rilasciati durante la fissione dei nuclei di uranio-235 possono causare solo la fissione dei nuclei dello stesso uranio, che rappresenta solo lo 0,7% dell'uranio naturale. Questa concentrazione è insufficiente per avviare una reazione a catena. Un isotopo può anche assorbire neutroni, ma non si verifica alcuna reazione a catena.

reazione a catena nell'uranio alto contenuto l'uranio-235 può svilupparsi solo quando la massa dell'uranio supera il cosiddetto massa critica. In piccoli pezzi di uranio, la maggior parte dei neutroni, senza colpire alcun nucleo, vola via. Per l'uranio-235 puro, la massa critica è di circa 50 kg. La massa critica dell'uranio può essere ridotta molte volte utilizzando il cosiddetto moderatori neutroni. Il fatto è che i neutroni prodotti durante il decadimento dei nuclei di uranio hanno velocità troppo elevate e la probabilità di cattura di neutroni lenti da parte dei nuclei di uranio-235 è centinaia di volte maggiore di quella di quelli veloci. Il miglior moderatore di neutroni è Acqua pesante D 2 O. Quando interagisce con i neutroni, l'acqua ordinaria stessa si trasforma in acqua pesante.

Un buon moderatore è anche la grafite, i cui nuclei non assorbono i neutroni. In seguito all'interazione elastica con il deuterio o i nuclei di carbonio, i neutroni vengono rallentati a velocità termiche.

L'uso di moderatori di neutroni e uno speciale guscio di berillio che riflette i neutroni consente di ridurre la massa critica a 250 g.

Nelle bombe atomiche, si verifica una reazione a catena nucleare incontrollata quando connessione veloce due pezzi di uranio-235, ciascuno dei quali ha una massa leggermente inferiore a quella critica.

Viene chiamato un dispositivo che mantiene una reazione di fissione nucleare controllata nucleare(o atomico) reattore. schema reattore nucleare su neutroni lenti è mostrato in fico. 9.8.2.

Figura 9.8.2. Schema del dispositivo di un reattore nucleare.

La reazione nucleare avviene nel nocciolo del reattore, che viene riempito con un moderatore e perforato con barre contenenti una miscela arricchita di isotopi di uranio ad alto contenuto di uranio-235 (fino al 3%). Nel nucleo vengono introdotte barre di controllo contenenti cadmio o boro, che assorbono intensamente i neutroni. L'introduzione di aste nel nucleo consente di controllare la velocità della reazione a catena.

Il nucleo è raffreddato da un liquido di raffreddamento pompato, che può essere acqua o un metallo con un basso punto di fusione (ad esempio il sodio, che ha un punto di fusione di 98 °C). Nel generatore di vapore, il liquido di raffreddamento si trasferisce energia termica acqua, trasformandola in vapore alta pressione. Il vapore viene inviato ad una turbina collegata ad un generatore elettrico. Dalla turbina, il vapore entra nel condensatore. Per evitare perdite di irraggiamento, i circuiti del liquido di raffreddamento I e del generatore di vapore II funzionano a cicli chiusi.

La turbina di una centrale nucleare è un motore termico che determina l'efficienza complessiva dell'impianto secondo il secondo principio della termodinamica. Per le moderne centrali nucleari, l'efficienza è approssimativamente uguale, quindi, per la produzione di 1000 MW energia elettrica la potenza termica del reattore dovrebbe raggiungere i 3000 MW. 2000 MW devono essere portati via dall'acqua che raffredda il condensatore. Ciò porta al surriscaldamento locale dei corpi idrici naturali e alla conseguente comparsa di problemi ambientali.

Tuttavia, il problema principale consiste nel garantire la completa sicurezza dalle radiazioni delle persone che lavorano nelle centrali nucleari e prevenire il rilascio accidentale di sostanze radioattive che si accumulano in grandi quantità nel nocciolo del reattore. Molta attenzione è rivolta a questo problema nello sviluppo dei reattori nucleari. Tuttavia, dopo gli incidenti di alcune centrali nucleari, in particolare della centrale nucleare della Pennsylvania (USA, 1979) e della centrale nucleare di Chernobyl (1986), il problema della sicurezza dell'energia nucleare è diventato particolarmente acuto.

Insieme al reattore nucleare sopra descritto funzionante a neutroni lenti, sono di grande interesse pratico i reattori operanti senza un moderatore a neutroni veloci. In tali reattori, il combustibile nucleare è una miscela arricchita contenente almeno il 15% dell'isotopo.Il vantaggio dei reattori a neutroni veloci è che durante il loro funzionamento, i nuclei di uranio-238, assorbendo neutroni, attraverso due successivi decadimenti β - vengono convertiti in plutonio nuclei, che sono quindi utilizzabili come combustibile nucleare:

Il rapporto di riproduzione di tali reattori raggiunge 1,5, ovvero per 1 kg di uranio-235 si ottengono fino a 1,5 kg di plutonio. Anche i reattori convenzionali producono plutonio, ma in quantità molto minori.

Il primo reattore nucleare fu costruito nel 1942 negli USA sotto la guida di E. Fermi. Nel nostro paese, il primo reattore fu costruito nel 1946 sotto la guida di IV Kurchatov.

2. reazioni termonucleari. Il secondo modo per rilasciare energia nucleare è associato alle reazioni di fusione. Durante la fusione dei nuclei leggeri e la formazione di un nuovo nucleo, un gran numero di energia. Questo può essere visto dalla dipendenza dell'energia di legame specifica dal numero di massa A (Fig. 9.6.1). Fino a nuclei con un numero di massa di circa 60, l'energia di legame specifica dei nucleoni aumenta all'aumentare di A. Pertanto, la sintesi di qualsiasi nucleo con A< 60 из более легких ядер должен сопровождаться выделением энергии. Общая масса продуктов реакции синтеза будет в этом случае меньше массы первоначальных частиц.

Si chiamano reazioni di fusione dei nuclei leggeri reazioni termonucleari, in quanto possono fluire solo a temperature molto elevate. Affinché due nuclei entrino in una reazione di fusione, devono avvicinarsi a una distanza di azione delle forze nucleari dell'ordine di 2,10 -15 m, superando la repulsione elettrica delle loro cariche positive. Per questo, l'energia cinetica media moto termico le molecole devono superare l'energia potenziale dell'interazione di Coulomb. Il calcolo della temperatura necessaria T per questo porta a un valore dell'ordine di 10 8 –10 9 K. Questa è una temperatura estremamente elevata. A questa temperatura, la sostanza è in uno stato completamente ionizzato, che viene chiamato plasma.

L'energia rilasciata nelle reazioni termonucleari per nucleone è diverse volte superiore all'energia specifica rilasciata nelle reazioni a catena della fissione nucleare. Quindi, ad esempio, nella reazione di fusione dei nuclei di deuterio e trizio

Viene rilasciato 3,5 MeV/nucleone. In totale, in questa reazione vengono rilasciati 17,6 MeV. Questa è una delle reazioni termonucleari più promettenti.

Implementazione reazioni termonucleari controllate darà all'umanità una nuova fonte di energia rispettosa dell'ambiente e praticamente inesauribile. Tuttavia, ottenere temperature ultra elevate e mantenere il plasma riscaldato a un miliardo di gradi è il compito scientifico e tecnico più difficile sulla strada per l'implementazione della fusione termonucleare controllata.

Sul questa fase lo sviluppo della scienza e della tecnologia è stato solo reazione di fusione incontrollata in una bomba all'idrogeno. L'elevata temperatura richiesta per la fusione nucleare si ottiene qui facendo esplodere una convenzionale bomba all'uranio o al plutonio.

Le reazioni termonucleari svolgono un ruolo estremamente importante nell'evoluzione dell'universo. L'energia di radiazione del Sole e delle stelle è di origine termonucleare.

Radioattività

Quasi il 90% dei 2500 nuclei atomici conosciuti sono instabili. Un nucleo instabile si trasforma spontaneamente in altri nuclei con l'emissione di particelle. Questa proprietà dei nuclei è chiamata radioattività. Per i nuclei grandi, l'instabilità sorge a causa della competizione tra l'attrazione dei nucleoni da parte delle forze nucleari e la repulsione coulombiana dei protoni. Non esistono nuclei stabili con numero di carica Z > 83 e numero di massa A > 209. Ma possono risultare radioattivi anche nuclei atomici con numeri Z e A significativamente inferiori. Se il nucleo contiene significativamente più protoni rispetto ai neutroni, si verifica instabilità da un eccesso dell'energia di interazione di Coulomb. I nuclei, che conterrebbero un grande eccesso di neutroni rispetto al numero di protoni, sono instabili a causa del fatto che la massa del neutrone supera la massa del protone. Un aumento della massa del nucleo porta ad un aumento della sua energia.

Il fenomeno della radioattività fu scoperto nel 1896 dal fisico francese A. Becquerel, il quale scoprì che i sali di uranio emettono radiazioni sconosciute che possono penetrare attraverso barriere opache alla luce e causare annerimento dell'emulsione fotografica. Due anni dopo, i fisici francesi M. e P. Curie scoprirono la radioattività del torio e scoprirono due nuovi elementi radioattivi: il polonio e il radio

Negli anni successivi, molti fisici, tra cui E. Rutherford ei suoi studenti, furono impegnati nello studio della natura delle radiazioni radioattive. Si è scoperto che i nuclei radioattivi possono emettere particelle di tre tipi: caricate positivamente e negativamente e neutre. Questi tre tipi di radiazioni sono stati chiamati radiazioni α, β e γ. Sulla fig. 9.7.1 mostra lo schema dell'esperimento, che consente di rilevare la complessa composizione della radiazione radioattiva. In un campo magnetico, i raggi α e β deviano in direzioni opposte e i raggi β deviano molto di più. I raggi γ in un campo magnetico non deviano affatto.

Questi tre tipi di radiazioni radioattive differiscono notevolmente tra loro per la loro capacità di ionizzare gli atomi della materia e, di conseguenza, per il loro potere di penetrazione. La radiazione α ha il potere di penetrazione minore. Nell'aria, in condizioni normali, i raggi α percorrono una distanza di diversi centimetri. I raggi β sono molto meno assorbiti dalla materia. Sono in grado di passare attraverso uno strato di alluminio spesso diversi millimetri. I raggi γ hanno il più alto potere di penetrazione, essendo in grado di passare attraverso uno strato di piombo spesso 5–10 cm.

Nel secondo decennio del XX secolo dopo la scoperta di E. Rutherford struttura nucleare atomi, è stato fermamente stabilito che la radioattività è proprietà dei nuclei atomici. Gli studi hanno dimostrato che i raggi α rappresentano un flusso di particelle α - nuclei di elio, i raggi β sono un flusso di elettroni, i raggi γ rappresentano un'onda corta radiazioni elettromagnetiche con lunghezza d'onda estremamente corta λ< 10 –10 м и вследствие этого – ярко выраженными корпускулярными свойствами, то есть является потоком частиц – γ-квантов.

Decadimento alfa. Il decadimento alfa è la trasformazione spontanea di un nucleo atomico con il numero di protoni Z e neutroni N in un altro nucleo (figlia) contenente il numero di protoni Z - 2 e neutroni N - 2. In questo caso, viene emessa una particella α - il nucleo di un atomo di elio. Un esempio di tale processo è il decadimento α del radio:

Le particelle alfa emesse dai nuclei degli atomi di radio furono usate da Rutherford in esperimenti sulla dispersione da parte dei nuclei degli elementi pesanti. La velocità delle particelle α emesse durante il decadimento α dei nuclei di radio, misurata lungo la curvatura della traiettoria in un campo magnetico, è approssimativamente pari a 1,5 10 7 m/s, e la corrispondente energia cinetica è di circa 7,5 10 -13 J (circa 4,8 MeV). Questo valore può essere facilmente determinato da valori noti masse dei nuclei genitore e figlio e del nucleo dell'elio. Sebbene la velocità della particella α espulsa sia enorme, è ancora solo il 5% della velocità della luce, quindi il calcolo può utilizzare un'espressione non relativistica per l'energia cinetica.

Gli studi hanno dimostrato che una sostanza radioattiva può emettere particelle α con diversi valori energetici discreti. Ciò è spiegato dal fatto che i nuclei possono essere, come gli atomi, in diversi stati eccitati. Un nucleo figlia può trovarsi in uno di questi stati eccitati durante il decadimento α. Durante la successiva transizione di questo nucleo allo stato fondamentale, viene emesso un quanto γ. Lo schema di decadimento α del radio con l'emissione di particelle α con due valori di energie cinetiche è mostrato in fig. 9.7.2.

Pertanto, il decadimento α dei nuclei è in molti casi accompagnato da radiazioni γ.

Nella teoria del decadimento α, si presume che gruppi costituiti da due protoni e due neutroni, cioè una particella α, possano formarsi all'interno dei nuclei. Il nucleo genitore è per le particelle α potenziale bene, che è limitato potenziale barriera. L'energia della particella α nel nucleo è insufficiente per superare questa barriera (Fig. 9.7.3). L'espulsione di una particella α dal nucleo è possibile solo a causa di un fenomeno quantomeccanico chiamato effetto tunnel. Secondo meccanica quantistica, esiste una probabilità diversa da zero che la particella passi sotto la barriera di potenziale. Il fenomeno del tunneling ha carattere probabilistico.

Decadimento beta. Nel decadimento beta, un elettrone viene emesso dal nucleo. All'interno dei nuclei gli elettroni non possono esistere (vedi § 9.5), sorgono durante il decadimento β come risultato della trasformazione di un neutrone in un protone. Questo processo può verificarsi non solo all'interno del nucleo, ma anche con neutroni liberi. La vita media di un neutrone libero è di circa 15 minuti. Quando un neutrone decade in un protone e un elettrone

Le misurazioni hanno mostrato che in questo processo c'è un'apparente violazione della legge di conservazione dell'energia, poiché l'energia totale del protone e dell'elettrone derivante dal decadimento del neutrone è inferiore all'energia del neutrone. Nel 1931, W. Pauli suggerì che durante il decadimento di un neutrone, un'altra particella viene rilasciata con massa e carica zero, il che sottrae parte dell'energia. La nuova particella è denominata neutrino(piccolo neutrone). A causa dell'assenza di carica e massa in un neutrino, questa particella interagisce molto debolmente con gli atomi della materia, quindi è estremamente difficile rilevarla in un esperimento. La capacità ionizzante dei neutrini è così piccola che un atto di ionizzazione nell'aria cade su circa 500 km del percorso. Questa particella è stata scoperta solo nel 1953. Attualmente è noto che esistono diverse varietà di neutrini. Nel processo di decadimento dei neutroni, viene prodotta una particella, che viene chiamata antineutrino elettronico. È indicato dal simbolo Pertanto, la reazione di decadimento del neutrone è scritta come

Un processo simile si verifica anche all'interno dei nuclei durante il decadimento β. Un elettrone formato come risultato del decadimento di uno dei neutroni nucleari viene immediatamente espulso dalla "casa madre" (nucleo) a una velocità tremenda, che può differire dalla velocità della luce solo di una frazione di punto percentuale. Poiché la distribuzione dell'energia rilasciata durante il decadimento β tra un elettrone, un neutrino e un nucleo figlio è casuale, gli elettroni β possono avere velocità diverse su un ampio intervallo.

In β-decadimento numero di addebito Z aumenta di uno, mentre il numero di massa A rimane invariato. Il nucleo figlio risulta essere il nucleo di uno degli isotopi dell'elemento, il cui numero di serie nella tavola periodica è uno superiore al numero di serie del nucleo originario. Un tipico esempio Il decadimento β può servire come trasformazione dell'isotone del torio derivante dal decadimento α dell'uranio in palladio

Decadimento gamma. A differenza della radioattività α e β, la radioattività γ dei nuclei non è associata a un cambiamento nella struttura interna del nucleo e non è accompagnata da un cambiamento nella carica o nel numero di massa. Sia nel decadimento α che in quello β, il nucleo figlio può trovarsi in uno stato eccitato e avere un eccesso di energia. Il passaggio del nucleo dallo stato eccitato allo stato fondamentale è accompagnato dall'emissione di uno o più γ-quanta, la cui energia può raggiungere diversi MeV.

Legge del decadimento radioattivo. Qualsiasi campione di materiale radioattivo contiene un numero enorme di atomi radioattivi. Poiché il decadimento radioattivo è casuale e non dipende da condizioni esterne, allora la legge di diminuzione del numero N(t) di k non decaduto momento presente il tempo t dei nuclei può servire come un'importante caratteristica statistica del processo di decadimento radioattivo.

Lascia che il numero di nuclei non decomposti N(t) cambi di ΔN in un breve periodo di tempo Δt< 0. Так как вероятность распада каждого ядра неизменна во времени, что число распадов будет пропорционально количеству ядер N(t) и промежутку времени Δt:

Il coefficiente di proporzionalità λ è la probabilità del decadimento del nucleo nel tempo Δt = 1 s. Questa formula significa che la velocità di variazione della funzione N(t) è direttamente proporzionale alla funzione stessa.

dove N 0 è il numero iniziale di nuclei radioattivi a t = 0. Durante il tempo τ = 1 / λ, il numero di nuclei non decomposti diminuirà di e ≈ 2,7 volte. Viene chiamato il valore τ vita media nucleo radioattivo.

Per un uso pratico, è conveniente scrivere la legge del decadimento radioattivo in una forma diversa, usando il numero 2 come base e non e:

Viene chiamato il valore di T metà vita. Durante il tempo T, la metà del numero iniziale di nuclei radioattivi decade. I valori di T e τ sono legati dalla relazione

L'emivita è la principale grandezza che caratterizza il tasso di decadimento radioattivo. Più breve è l'emivita, più intenso è il decadimento. Pertanto, per l'uranio T ≈ 4,5 miliardi di anni e per il radio T ≈ 1600 anni. Pertanto, l'attività del radio è molto più alta di quella dell'uranio. Esistono elementi radioattivi con un'emivita di una frazione di secondo.

Non si trova in condizioni naturali e termina nel bismuto Questa serie di decadimenti radioattivi si verifica in reattori nucleari.

Un'applicazione interessante la radioattività è un metodo per datare reperti archeologici e geologici mediante la concentrazione di isotopi radioattivi. Il metodo più utilizzato è la datazione al radiocarbonio. Un isotopo di carbonio instabile si verifica nell'atmosfera a causa delle reazioni nucleari causate dai raggi cosmici. Una piccola percentuale di questo isotopo si trova nell'aria insieme al solito isotopo stabile Le piante e altri organismi consumano carbonio dall'aria e accumulano entrambi gli isotopi nella stessa proporzione che fanno nell'aria. Dopo la morte delle piante, cessano di consumare carbonio e l'isotopo instabile si trasforma gradualmente in azoto a causa del decadimento β con un'emivita di 5730 anni. strada misurazione accurata La concentrazione relativa di carbonio radioattivo nei resti di organismi antichi può determinare l'ora della loro morte.

Radiazioni radioattive di ogni tipo (alfa, beta, gamma, neutroni), nonché radiazioni elettromagnetiche ( raggi X) hanno un effetto biologico molto forte sugli organismi viventi, che consiste nei processi di eccitazione e ionizzazione di atomi e molecole che compongono le cellule viventi. Sotto l'azione delle radiazioni ionizzanti, le molecole complesse e le strutture cellulari vengono distrutte, il che porta a danni da radiazioni al corpo. Pertanto, quando si lavora con qualsiasi fonte di radiazioni, è necessario adottare tutte le misure per radioprotezione persone che possono essere esposte alle radiazioni.

Tuttavia, una persona può essere esposta a radiazioni ionizzanti in condizioni domestiche. Il radon, gas inerte, incolore, radioattivo, può rappresentare un serio pericolo per la salute umana, come si può vedere dal diagramma di Fig. 9.7.5, il radon è un prodotto del decadimento α del radio e ha un'emivita T = 3,82 giorni. Il radio si trova in piccole quantità nel suolo, nelle rocce e vari strutture edilizie. Nonostante la durata relativamente breve, la concentrazione di radon viene continuamente reintegrata a causa di nuovi decadimenti dei nuclei di radio, quindi il radon può accumularsi in spazi chiusi. Entrando nei polmoni, il radon emette particelle α e si trasforma in polonio, che non è una sostanza chimicamente inerte. Segue una catena di trasformazioni radioattive della serie dell'uranio (Fig. 9.7.5). Secondo la Commissione americana per la sicurezza e il controllo delle radiazioni, una persona media riceve il 55% di radiazioni ionizzanti dal radon e solo l'11% dal servizi medici. Il contributo dei raggi cosmici è di circa l'8%. La dose totale di radiazioni che una persona riceve in una vita è molte volte inferiore dose massima consentita(SDA), che è stabilito per le persone di determinate professioni esposte a un'esposizione aggiuntiva alle radiazioni ionizzanti.

L'energia E rilasciata durante la fissione aumenta all'aumentare di Z 2 /A. Il valore di Z 2 /A = 17 per 89 Y (ittrio). Quelli. la fissione è energeticamente favorevole per tutti i nuclei più pesanti dell'ittrio. Perché la maggior parte dei nuclei è resistente alla fissione spontanea? Per rispondere a questa domanda, è necessario considerare il meccanismo di divisione.

Durante la fissione, la forma del nucleo cambia. Il nucleo attraversa in sequenza le seguenti fasi (Fig. 7.1): una palla, un ellissoide, un manubrio, due frammenti a forma di pera, due frammenti sferici. Come cambia l'energia potenziale del nucleo nelle diverse fasi della fissione?
Nucleo iniziale con ingrandimento r assume la forma di un ellissoide di rivoluzione sempre più allungato. In questo caso, a causa dell'evoluzione della forma del nucleo, la variazione della sua energia potenziale è determinata dalla variazione della somma delle energie di superficie e di Coulomb E p + E k. In questo caso l'energia di superficie aumenta, poiché la superficie del nucleo aumenta. L'energia di Coulomb diminuisce all'aumentare della distanza media tra i protoni. Se, con una leggera deformazione, caratterizzata da un piccolo parametro , il nucleo iniziale assume la forma di un ellissoide assialmente simmetrico, l'energia superficiale E" p e l'energia Coulomb E" k in funzione del parametro di deformazione cambiano come segue:

Nei rapporti (7,4–7,5) e n e e k sono le energie di superficie e di Coulomb del nucleo sfericamente simmetrico iniziale.
Nella regione dei nuclei pesanti, 2E n > Ek, e la somma delle energie di superficie e di Coulomb aumenta all'aumentare di . Segue da (7.4) e (7.5) che a piccole deformazioni, un aumento dell'energia superficiale impedisce un ulteriore cambiamento nella forma del nucleo e, di conseguenza, la fissione.
La relazione (7.5) è valida per piccole deformazioni. Se la deformazione è così grande che il nucleo assume la forma di un manubrio, la superficie e le forze di Coulomb tendono a separare il nucleo e conferiscono ai frammenti una forma sferica. Pertanto, con un graduale aumento della deformazione del nucleo, la sua energia potenziale passa al massimo. Il grafico delle energie di superficie e di Coulomb del nucleo in funzione di r è mostrato in fig. 7.2.

La presenza di una potenziale barriera impedisce la fissione nucleare spontanea istantanea. Affinché il nucleo si divida, deve ricevere un'energia Q che supera l'altezza della barriera di fissione H. L'energia potenziale massima di un nucleo fissile E + H (ad esempio, oro) in due frammenti identici è ≈ 173 MeV e l'energia E rilasciata durante la fissione è 132 MeV. Pertanto, durante la fissione del nucleo d'oro, è necessario superare una potenziale barriera con un'altezza di circa 40 MeV.
L'altezza della barriera di fissione H è maggiore, minore è il rapporto tra Coulomb e le energie di superficie E a /E p nel nucleo iniziale. Questo rapporto, a sua volta, aumenta all'aumentare del parametro di divisione Z 2 /A (7.3). Più pesante è il nucleo, minore è l'altezza della barriera di fissione H, poiché il parametro di fissione, supponendo che Z sia proporzionale ad A, aumenta all'aumentare del numero di massa:

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

(7.6)

Pertanto, i nuclei più pesanti generalmente devono essere forniti con meno energia per causare la fissione nucleare.
L'altezza della barriera di fissione svanisce a 2E p – Ec = 0 (7,5). In questo caso

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

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

Pertanto, secondo il modello a goccia, nuclei con Z 2 /A > 49 non possono esistere in natura, poiché dovrebbero scindersi spontaneamente in due frammenti quasi istantaneamente in un tempo nucleare caratteristico dell'ordine di 10–22 s. Nelle Figg. 7.3.

Riso. 7.3. Dipendenza radiale della forma e dell'altezza della barriera potenziale e dell'energia di fissione E a vari valori del parametro Z 2 /A. Il valore di E p + E k è tracciato sull'asse verticale.

Fissione nucleare spontanea con Z 2 /A< 49, для которых высота барьера H не равна нулю, с точки зрения классической физики невозможно. Однако в квантовой механике такое деление возможно за счет туннельного эффекта – прохождения осколков деления через потенциальный барьер. Оно носит название спонтанного деления. Вероятность спонтанного деления растет с увеличением параметра деления Z 2 /A, т. е. с уменьшением высоты барьера деления. В целом период спонтанного деления уменьшается при переходе от менее тяжелых ядер к более тяжелым от T 1/2 >10 21 anni per 232 Th a 0,3 s per 260 Rf.
Fissione nucleare forzata con Z 2 /A< 49 может быть вызвано их возбуждением фотонами, нейтронами, протонами, дейтронами, a частицами и другими частицами, если вносимая в ядро энергия достаточна для преодоления барьера деления.
Il valore minimo dell'energia di eccitazione del nucleo composto E* formato durante la cattura di un neutrone è uguale all'energia di legame del neutrone in questo nucleo ε n . La tabella 7.1 confronta l'altezza della barriera H e l'energia di legame dei neutroni ε n per gli isotopi Th, U, Pu formati dopo la cattura dei neutroni. L'energia di legame di un neutrone dipende dal numero di neutroni nel nucleo. A causa dell'energia di accoppiamento, l'energia di legame di un neutrone pari è maggiore dell'energia di legame di un neutrone dispari.

Tabella 7.1

Altezza barriera di fissione H, energia di legame dei neutroni ε n

Isotopo	Altezza barriera antifissione H, MeV	Isotopo	Energia di legame dei neutroni ε n
232Th	5.9	233Th	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

tratto caratteristico la fissione è che i frammenti tendono ad avere masse diverse. Nel caso della fissione più probabile di 235 U, il rapporto di massa del frammento è in media di ~1,5. La distribuzione di massa dei frammenti di fissione di 235 U mediante neutroni termici è mostrata in Fig. 7.4. Per la fissione più probabile, un frammento pesante ha un numero di massa di 139, uno leggero - 95. Tra i prodotti di fissione ci sono frammenti con A = 72 - 161 e Z = 30 - 65. La probabilità di fissione in due frammenti di uguale massa non è uguale a zero. Nella fissione di 235 U da neutroni termici, la probabilità di fissione simmetrica è di circa tre ordini di grandezza inferiore rispetto al caso della fissione più probabile in frammenti con A = 139 e 95.
La fissione asimmetrica è spiegata dalla struttura a guscio del nucleo. Il nucleo tende a dividersi in modo tale che la parte principale dei nucleoni di ogni frammento formi il nucleo magico più stabile.
Il rapporto tra il numero di neutroni e il numero di protoni nel nucleo 235 U N/Z = 1,55, mentre isotopi stabili, che hanno un numero di massa vicino al numero di massa dei frammenti, questo rapporto è 1,25 − 1,45. Di conseguenza, i frammenti di fissione risultano essere fortemente sovraccarichi di neutroni e devono esserlo
β - radioattivo. Pertanto, i frammenti di fissione subiscono β - decadimenti successivi e la carica del frammento primario può cambiare di 4 - 6 unità. Di seguito è riportata una caratteristica catena di decadimenti radioattivi di 97 Kr - uno dei frammenti formati durante la fissione di 235 U:

Anche l'eccitazione dei frammenti, causata da una violazione del rapporto tra il numero di protoni e neutroni, caratteristica dei nuclei stabili, viene rimossa a causa dell'emissione di neutroni a fissione rapida. Questi neutroni vengono emessi spostando frammenti in un tempo inferiore a ~ 10 -14 s. In media, in ogni evento di fissione vengono emessi 2 - 3 neutroni rapidi. Il loro spettro energetico è continuo con un massimo di circa 1 MeV. L'energia media di un neutrone pronto è vicina a 2 MeV. L'emissione di più di un neutrone in ciascun evento di fissione consente di ottenere energia attraverso una reazione a catena di fissione nucleare.
Nella più probabile fissione di 235 U da neutroni termici, un frammento leggero (A = 95) acquisisce un'energia cinetica di ≈ 100 MeV, e uno pesante (A = 139) acquisisce circa 67 MeV. Pertanto, l'energia cinetica totale dei frammenti è ≈ 167 MeV. L'energia di fissione totale in questo caso è 200 MeV. Pertanto, l'energia rimanente (33 MeV) è distribuita tra gli altri prodotti di fissione (neutroni, elettroni e antineutrini di β - decadimento dei frammenti, radiazione γ dei frammenti e loro prodotti di decadimento). La distribuzione dell'energia di fissione tra diversi prodotti durante la fissione di 235 U da neutroni termici è riportata nella Tabella 7.2.

Tabella 7.2

Distribuzione dell'energia di fissione 235 U neutroni termici

I prodotti della fissione nucleare (NF) sono una miscela complessa di oltre 200 isotopi radioattivi di 36 elementi (dallo zinco al gadolinio). La maggior parte dell'attività è costituita da radionuclidi di breve durata. Pertanto, dopo 7, 49 e 343 giorni dopo l'esplosione, l'attività dei PND diminuisce rispettivamente di 10, 100 e 1000 volte rispetto all'attività un'ora dopo l'esplosione. La resa dei radionuclidi biologicamente più significativi è riportata nella Tabella 7.3. Oltre al PND, la contaminazione radioattiva è causata dai radionuclidi di attività indotta (3 H, 14 C, 28 Al, 24 Na, 56 Mn, 59 Fe, 60 Co, ecc.) e dalla parte indivisa di uranio e plutonio. Il ruolo dell'attività indotta nelle esplosioni termonucleari è particolarmente importante.

Tabella 7.3

Rilascio di alcuni prodotti di fissione in un'esplosione nucleare

Radionuclide	Metà vita	Produzione per divisione, %	Attività per 1 Mt, 10 15 Mq
89Sr	50,5 giorni	2.56	590
90Sr	29,12 anni	3.5	3.9
95 Zr	65 giorni	5.07	920
103 Ru	41 giorni	5.2	1500
106 Ru	365 giorni	2.44	78
131 I	8,05 giorni	2.9	4200
136C	13,2 giorni	0.036	32
137C	30 anni	5.57	5.9
140 ba	12,8 giorni	5.18	4700
141C	32,5 giorni	4.58	1600
144C	288 giorni	4.69	190
3H	12,3 anni	0.01	2.6 10 -2

Durante le esplosioni nucleari nell'atmosfera, una parte significativa delle precipitazioni (fino al 50% nelle esplosioni al suolo) cade vicino all'area di prova. Una parte delle sostanze radioattive viene trattenuta nella parte bassa dell'atmosfera e, sotto l'influenza del vento, si sposta su lunghe distanze, rimanendo all'incirca alla stessa latitudine. Essendo nell'aria per circa un mese, le sostanze radioattive durante questo movimento cadono gradualmente sulla Terra. La maggior parte dei radionuclidi viene rilasciata nella stratosfera (ad un'altezza di 10÷15 km), dove sono dispersi globalmente e in gran parte decadono.
Vari elementi della progettazione di reattori nucleari hanno un'attività elevata per decenni (Tabella 7.4)

Tabella 7.4

Valori di attività specifica (Bq/t uranio) dei principali prodotti di fissione negli elementi combustibili rimossi dal reattore dopo tre anni di funzionamento

Radionuclide	0	1 giorno	120 giorni	1 anno		10 anni
85 kr	5. 78· 10 14	5. 78· 10 14	5. 66· 10 14	5. 42· 10 14	4. 7· 10 14	3. 03· 10 14
89Sr	4. 04· 10 16	3. 98· 10 16	5. 78· 10 15	2. 7· 10 14	1. 2· 10 10
90Sr	3. 51· 10 15	3. 51· 10 15	3. 48· 10 15	3. 43· 10 15	3. 26· 10 15	2. 75· 10 15
95 Zr	7. 29· 10 16	7. 21· 10 16	1. 99· 10 16	1. 4· 10 15	5. 14· 10 11
95 Nb	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
134C	7. 50· 10 15	7. 50· 10 15	6. 71· 10 15	5. 36· 10 15	2. 73· 10 15	2. 6· 10 14
137C	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
140la	8. 19· 10 16	8. 05· 10 16	1. 37· 10 14	2. 34· 10 8
141 Ce	7. 36· 10 16	7. 25· 10 16	5. 73· 10 15	3. 08· 10 13	5. 33· 10 6
144 Ce	5. 44· 10 16	5. 44· 10 16	4. 06· 10 16	2. 24· 10 16	3. 77· 10 15	7. 43· 10 12
143	6. 77· 10 16	6. 70· 10 16	1. 65· 10 14	6. 11· 10 8
147	7. 05 10 15	7. 05· 10 15	6. 78· 10 15	5. 68· 10 15	3. 35· 10 14

La fissione dei nuclei di uranio bombardandoli con neutroni fu scoperta nel 1939 dagli scienziati tedeschi Otto Hahn e Fritz Strassmann.

Otto Hahn (1879-1968)
Fisico tedesco, scienziato pioniere nel campo della radiochimica. Scoperto la fissione dell'uranio, un certo numero di elementi radioattivi

Fritz Strassmann (1902-1980)
fisico e chimico tedesco. I lavori riguardano la chimica nucleare, la fissione nucleare. Ha dato prova chimica al processo di fissione

Consideriamo il meccanismo di questo fenomeno. La Figura 162, raffigura convenzionalmente il nucleo di un atomo di uranio. Dopo aver assorbito un neutrone in più, il nucleo viene eccitato e deformato, acquisendo una forma allungata (Fig. 162, b).

Riso. 162. Il processo di fissione di un nucleo di uranio sotto l'influenza di un neutrone che vi è caduto

Sai già che nel nucleo agiscono due tipi di forze: le forze elettrostatiche repulsive tra i protoni, che tendono a rompere il nucleo, e le forze attrattive nucleari tra tutti i nucleoni, per cui il nucleo non decade. Ma le forze nucleari sono a corto raggio, quindi, in un nucleo allungato, non possono più trattenere parti del nucleo molto distanti tra loro. Sotto l'azione delle forze repulsive elettrostatiche, il nucleo viene diviso in due parti (Fig. 162, c), che si disperdono in direzioni diverse con grande velocità ed emettono 2-3 neutroni.

Si scopre che parte dell'energia interna del nucleo viene convertita nell'energia cinetica di frammenti e particelle volanti. I frammenti vengono rapidamente decelerati nell'ambiente, a seguito della quale la loro energia cinetica viene convertita nell'energia interna del mezzo (cioè nell'energia di interazione e movimento termico delle sue particelle costituenti).

Con la fissione simultanea di un gran numero di nuclei di uranio Energia interna l'ambiente circostante l'uranio e, di conseguenza, la sua temperatura aumenta notevolmente (cioè, l'ambiente si riscalda).

Pertanto, la reazione di fissione dei nuclei di uranio procede con il rilascio di energia ambiente.

L'energia contenuta nei nuclei degli atomi è colossale. Ad esempio, con la completa fissione di tutti i nuclei presenti in 1 g di uranio, verrebbe rilasciata la stessa quantità di energia che viene rilasciata durante la combustione di 2,5 tonnellate di petrolio. Per convertire l'energia interna dei nuclei atomici in energia elettrica, le centrali nucleari utilizzano il cosiddetto reazioni a catena di fissione nucleare.

Consideriamo il meccanismo della reazione a catena della fissione nucleare dell'isotopo dell'uranio. Il nucleo dell'atomo di uranio (Fig. 163) a seguito della cattura di un neutrone è stato diviso in due parti, mentre emetteva tre neutroni. Due di questi neutroni hanno causato la reazione di fissione di altri due nuclei, producendo così quattro neutroni. Questi, a loro volta, causarono la fissione di quattro nuclei, dopo di che si formarono nove neutroni, ecc.

Una reazione a catena è possibile grazie al fatto che durante la fissione di ciascun nucleo si formano 2-3 neutroni, che possono prendere parte alla fissione di altri nuclei.

La Figura 163 mostra un diagramma di reazione a catena in cui numero totale i neutroni liberi in un pezzo di uranio aumentano come una valanga con il tempo. Di conseguenza, il numero di fissioni nucleari e l'energia rilasciata per unità di tempo aumentano notevolmente. Pertanto, una tale reazione è esplosiva (si svolge in una bomba atomica).

Riso. 163. Reazione a catena di fissione dei nuclei di uranio

È possibile un'altra opzione, in cui il numero di neutroni liberi diminuisce nel tempo. In questo caso, la reazione a catena si interrompe. Pertanto, una tale reazione non può nemmeno essere utilizzata per generare elettricità.

Per scopi pacifici, è possibile utilizzare l'energia solo di una tale reazione a catena in cui il numero di neutroni non cambia nel tempo.

Come garantire che il numero di neutroni rimanga costante per tutto il tempo? Per risolvere questo problema, è necessario sapere quali fattori influenzano l'aumento e la diminuzione del numero totale di neutroni liberi in un pezzo di uranio in cui si verifica una reazione a catena.

Uno di questi fattori è la massa dell'uranio. Il fatto è che non tutti i neutroni emessi durante la fissione nucleare provocano la fissione di altri nuclei (vedi Fig. 163). Se la massa (e, di conseguenza, la dimensione) di un pezzo di uranio è troppo piccola, allora molti neutroni voleranno fuori da esso, non avendo il tempo di incontrare il nucleo sulla loro strada, ne causeranno la fissione e quindi genereranno una nuova generazione di neutroni necessari per continuare la reazione. In questo caso, la reazione a catena si fermerà. Affinché la reazione non si fermi, è necessario aumentare la massa dell'uranio a certo valore chiamata critico.

Perché una reazione a catena diventa possibile con un aumento di massa? Maggiore è la massa di un pezzo, maggiori sono le sue dimensioni e più lungo è il percorso che i neutroni percorrono al suo interno. In questo caso, aumenta la probabilità che i neutroni incontrino i nuclei. Di conseguenza, il numero di fissioni nucleari e il numero di neutroni emessi aumentano.

A una massa critica di uranio, il numero di neutroni che sono comparsi durante la fissione dei nuclei diventa uguale al numero di neutroni persi (cioè catturati da nuclei senza fissione e che volano fuori dal pezzo).

Pertanto, il loro numero totale rimane invariato. In questo caso può avvenire una reazione a catena a lungo, senza fermarsi e senza acquisire un carattere esplosivo.

• La massa più piccola di uranio alla quale è possibile una reazione a catena è chiamata massa critica.

Se la massa dell'uranio è più che critica, a seguito di un forte aumento del numero di neutroni liberi, la reazione a catena porta a un'esplosione e, se è meno che critica, la reazione non procede a causa di un mancanza di neutroni liberi.

È possibile ridurre la perdita di neutroni (che volano fuori dall'uranio senza reagire con i nuclei) non solo aumentando la massa dell'uranio, ma anche utilizzando uno speciale guscio riflettente. Per fare ciò, un pezzo di uranio viene posto in un guscio fatto di una sostanza che riflette bene i neutroni (ad esempio, il berillio). Riflessi da questo guscio, i neutroni ritornano all'uranio e possono prendere parte alla fissione nucleare.

Ci sono molti altri fattori da cui dipende la possibilità di una reazione a catena. Ad esempio, se un pezzo di uranio contiene troppe impurità di altri elementi chimici, essi assorbono la maggior parte dei neutroni e la reazione si interrompe.

Anche la presenza del cosiddetto moderatore di neutroni nell'uranio influisce sull'andamento della reazione. Il fatto è che i nuclei dell'uranio-235 hanno maggiori probabilità di fissione sotto l'azione di neutroni lenti. La fissione nucleare produce neutroni veloci. Se i neutroni veloci vengono rallentati, la maggior parte di essi verrà catturata dai nuclei di uranio-235 con successiva fissione di questi nuclei. Sostanze come la grafite, l'acqua, l'acqua pesante (che include il deuterio, un isotopo dell'idrogeno con un numero di massa di 2) e alcune altre sono usate come moderatori. Queste sostanze rallentano solo i neutroni, quasi senza assorbirli.

Pertanto, la possibilità di una reazione a catena è determinata dalla massa dell'uranio, dalla quantità di impurità in esso contenute, dalla presenza di un guscio e di un moderatore e da alcuni altri fattori.

La massa critica di un pezzo sferico di uranio-235 è di circa 50 kg. Inoltre, il suo raggio è di soli 9 cm, poiché l'uranio ha una densità molto elevata.

Utilizzando un moderatore e un guscio riflettente e riducendo la quantità di impurità, è possibile ridurre la massa critica dell'uranio a 0,8 kg.

Domande

1. Perché la fissione nucleare può iniziare solo quando si deforma sotto l'azione del neutrone assorbito?
2. Cosa si forma a seguito della fissione nucleare?
3. In quale energia passa una parte dell'energia interna del nucleo durante la sua fissione; energia cinetica di frammenti del nucleo di uranio durante la loro decelerazione nell'ambiente?
4. Come procede la reazione di fissione dei nuclei di uranio - con il rilascio di energia nell'ambiente o, al contrario, con l'assorbimento di energia?
5. Descrivi il meccanismo di una reazione a catena usando la Figura 163.
6. Qual è la massa critica dell'uranio?
7. È possibile che avvenga una reazione a catena se la massa dell'uranio è inferiore a quella critica; più critico? Come mai?

>> fissione dell'uranio

§ 107 FISSIONE DI URANIUS NUCLEI

Solo i nuclei di alcuni elementi pesanti possono essere divisi in parti. Durante la fissione dei nuclei vengono emessi due o tre neutroni e raggi. Allo stesso tempo, viene rilasciata molta energia.

Scoperta della fissione dell'uranio. La fissione dei nuclei di uranio fu scoperta nel 1938 dagli scienziati tedeschi O. Hahn e F. Strassmann. Hanno stabilito che quando l'uranio viene bombardato con neutroni, sorgono elementi della parte media del sistema periodico: bario, kripton, ecc. Tuttavia, la corretta interpretazione di questo fatto proprio come fissione del nucleo di uranio che ha catturato il neutrone è stata data al all'inizio del 1939 dal fisico inglese O. Frisch insieme al fisico austriaco L. Meitner.

La cattura di un neutrone distrugge la stabilità del nucleo. Il nucleo è eccitato e diventa instabile, il che porta alla sua divisione in frammenti. La fissione nucleare è possibile perché la massa a riposo di un nucleo pesante è maggiore della somma delle masse a riposo dei frammenti che si formano durante la fissione. Pertanto, c'è un rilascio di energia equivalente a una diminuzione della massa a riposo che accompagna la fissione.

La possibilità di fissione di nuclei pesanti può anche essere spiegata utilizzando un grafico della dipendenza dell'energia di legame specifica dal numero di massa A (vedi Fig. 13.11). Energia di legame specifica dei nuclei atomici degli elementi che occupano il sistema periodico ultimi posti(A 200), circa 1 MeV in meno rispetto all'energia di legame specifica nei nuclei degli elementi posti al centro del sistema periodico (A 100). Pertanto, il processo di fissione di nuclei pesanti in nuclei di elementi nella parte centrale del sistema periodico è energeticamente favorevole. Dopo la fissione, il sistema entra in uno stato con un'energia interna minima. Dopotutto, maggiore è l'energia di legame del nucleo, maggiore è l'energia che deve essere rilasciata quando il nucleo sorge e, di conseguenza, minore è l'energia interna del sistema appena formato.

Durante la fissione nucleare, l'energia di legame per nucleone aumenta di 1 MeV e l'energia totale rilasciata dovrebbe essere enorme - circa 200 MeV. Sotto nessun altro reazione nucleare(non associato alla fissione) energie così grandi non vengono rilasciate.

Le misurazioni dirette dell'energia rilasciata durante la fissione del nucleo di uranio hanno confermato le considerazioni precedenti e hanno fornito un valore di 200 MeV. Inoltre, la maggior parte di questa energia (168 MeV) ricade sull'energia cinetica dei frammenti. Nella Figura 13.13 vedete le tracce di frammenti di uranio fissile in una camera a nebbia.

L'energia rilasciata durante la fissione nucleare è di origine elettrostatica piuttosto che nucleare. La grande energia cinetica che hanno i frammenti sorge a causa della loro repulsione coulombiana.

meccanismo di fissione nucleare. Il processo di fissione nucleare può essere spiegato sulla base del modello a goccia del nucleo. Secondo questo modello, un gruppo di nucleoni assomiglia a una goccia di un liquido carico (Fig. 13.14, a). Le forze nucleari tra i nucleoni sono a corto raggio, come le forze che agiscono tra le molecole liquide. Insieme alle forti forze di repulsione elettrostatica tra i protoni, che tendono a lacerare il nucleo, ci sono ancora grandi forze di attrazione nucleari. Queste forze impediscono al nucleo di disintegrarsi.

Il nucleo di uranio-235 è sferico. Dopo aver assorbito un neutrone in più, viene eccitato e inizia a deformarsi, acquisendo una forma allungata (Fig. 13.14, b). Il nucleo si allungherà fino a quando le forze repulsive tra le metà del nucleo allungato inizieranno a prevalere sulle forze di attrazione che agiscono nell'istmo (Fig. 13.14, c). Successivamente, viene strappato in due parti (Fig. 13.14, d).

Sotto l'azione delle forze repulsive di Coulomb, questi frammenti si separano a una velocità pari a 1/30 della velocità della luce.

Emissione di neutroni durante la fissione. Il fatto fondamentale della fissione nucleare è l'emissione di due o tre neutroni durante la fissione. Questo lo ha reso possibile uso pratico energia intranucleare.

È possibile capire perché i neutroni liberi vengono emessi dalle seguenti considerazioni. È noto che il rapporto tra il numero di neutroni e il numero di protoni nei nuclei stabili aumenta all'aumentare del numero atomico. Pertanto, nei frammenti che si formano durante la fissione, il numero relativo di neutroni risulta essere maggiore di quanto consentito per i nuclei di atomi situati al centro della tavola periodica. Di conseguenza, nel processo di fissione vengono rilasciati diversi neutroni. La loro energia è vari significati- da diversi milioni di elettronvolt a molto piccoli, prossimi allo zero.

La fissione di solito avviene in frammenti, le cui masse differiscono di circa 1,5 volte. Questi frammenti sono altamente radioattivi, poiché contengono una quantità eccessiva di neutroni. Come risultato di una serie di decadimenti successivi, si ottengono isotopi stabili.

In conclusione, notiamo che c'è anche fissione spontanea dei nuclei di uranio. Fu scoperto dai fisici sovietici G. N. Flerov e K. A. Petrzhak nel 1940. L'emivita per la fissione spontanea è di 10 16 anni. Questo è due milioni di volte più lungo dell'emivita del decadimento dell'uranio.

La reazione di fissione nucleare è accompagnata dal rilascio di energia.

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Nel 1934 E. Fermi decise di ottenere elementi di transuranio irradiando 238 U con neutroni. L'idea di E. Fermi era che come risultato del decadimento β dell'isotopo 239 U, elemento chimico con il numero atomico Z = 93. Tuttavia, non è stato possibile identificare la formazione del 93° elemento. Invece, come risultato dell'analisi radiochimica degli elementi radioattivi eseguita da O. Hahn e F. Strassmann, è stato dimostrato che uno dei prodotti dell'irradiazione dell'uranio con neutroni è il bario (Z = 56) - un elemento chimico di peso atomico medio , mentre, secondo l'ipotesi di Fermi, si sarebbero dovuti produrre elementi transuranici.
L. Meitner e O. Frisch hanno suggerito che come risultato della cattura di un neutrone da parte di un nucleo di uranio, il nucleo composto si rompe in due parti

92 U + n → 56 Ba + 36 Kr + xn.

Il processo di fissione dell'uranio è accompagnato dalla comparsa di neutroni secondari (x > 1) che possono causare la fissione di altri nuclei di uranio, che apre il potenziale per una reazione a catena di fissione: un neutrone può dare origine a una catena ramificata di fissione dei nuclei di uranio. In questo caso, il numero di nuclei separati dovrebbe aumentare esponenzialmente. N. Bohr e J. Wheeler hanno calcolato l'energia critica richiesta per la scissione del nucleo 236 U, formato a seguito della cattura di neutroni da parte dell'isotopo 235 U. Questo valore è 6,2 MeV, che è inferiore all'energia di eccitazione dell'isotopo 236 U formato durante la cattura di un neutrone termico 235 U. Pertanto, quando i neutroni termici vengono catturati, è possibile una reazione a catena di fissione di 235 U. Per la maggior parte isotopo comune 238 U, l'energia critica è 5,9 MeV, mentre quando viene catturato un neutrone termico, l'energia di eccitazione del nucleo 239 U risultante è solo 5,2 MeV. Pertanto, la reazione a catena della fissione dell'isotopo 238 U più comune in natura sotto l'azione dei neutroni termici è impossibile. In un evento di fissione, viene rilasciata un'energia di ≈ 200 MeV (per confronto, in reazioni chimiche combustione in un atto della reazione, viene rilasciata un'energia di ≈ 10 eV). La possibilità di creare le condizioni per una reazione a catena di fissione ha aperto prospettive per l'utilizzo dell'energia di una reazione a catena per creare reattori atomici e armi atomiche. Il primo reattore nucleare fu costruito da E. Fermi negli Stati Uniti nel 1942. In URSS, il primo reattore nucleare fu lanciato sotto la guida di I. Kurchatov nel 1946. Nel 1954 iniziò a funzionare a Obninsk la prima centrale nucleare del mondo. Attualmente, l'energia elettrica viene generata in circa 440 reattori nucleari in 30 paesi del mondo.
Nel 1940, G. Flerov e K. Petrzhak scoprirono la fissione spontanea dell'uranio. Le figure seguenti testimoniano la complessità dell'esperimento. L'emivita parziale rispetto alla fissione spontanea dell'isotopo 238 U è di 10 16 –10 17 anni, mentre il periodo di decadimento dell'isotopo 238 U è di 4,5∙10 9 anni. Il principale canale di decadimento dell'isotopo 238 U è il decadimento α. Per osservare la fissione spontanea dell'isotopo 238 U, è stato necessario registrare un evento di fissione sullo sfondo di 10 7 –10 8 eventi di decadimento α.
La probabilità di fissione spontanea è determinata principalmente dalla permeabilità della barriera di fissione. La probabilità di fissione spontanea aumenta con l'aumento della carica del nucleo, poiché. questo aumenta il parametro di divisione Z 2 /A. Negli isotopi Z< 92-95 деление происходит преимущественно с образованием двух осколков деления с отношением масс тяжёлого и лёгкого осколков 3:2. В изотопах Z >100, predomina la fissione simmetrica con la formazione di frammenti della stessa massa. All'aumentare della carica del nucleo, la proporzione di fissione spontanea aumenta rispetto al decadimento α.

Isotopo	Metà vita	canali di decadimento
235 U	7.04 10 8 anni	α (100%), SF (7 10 -9%)
238 U	4,47 10 9 anni	α (100%), SF (5,5 10 -5%)
240 pu	6,56 10 3 anni	α (100%), SF (5,7 10 -6%)
242 Pu	3,75 10 5 anni	α (100%), SF (5,5 10 -4%)
246 cm	4,76 10 3 anni	α (99,97%), SF (0,03%)
252 cfr	2,64 anni	α (96,91%), SF (3,09%)
254 cfr	60,5 anni	α (0,31%), SF (99,69%)
256 cfr	12,3 anni	α (7,04 10 -8%), SF (100%)

Fissione nucleare. Storia

1934- E. Fermi, irradiando uranio con neutroni termici, trovò tra i prodotti di reazione nuclei radioattivi la cui natura non poteva essere stabilita.
L. Szilard ha avanzato l'idea di una reazione a catena nucleare.

1939− O. Hahn e F. Strassmann hanno scoperto il bario tra i prodotti di reazione.
L. Meitner e O. Frisch hanno annunciato per la prima volta che sotto l'azione dei neutroni, l'uranio è stato fissione in due frammenti di massa comparabile.
N. Bohr e J. Wheeler hanno fornito un'interpretazione quantitativa della fissione nucleare introducendo il parametro di fissione.
Ya. Frenkel ha sviluppato la teoria della goccia della fissione nucleare da neutroni lenti.
L. Szilard, E. Wigner, E. Fermi, J. Wheeler, F. Joliot-Curie, Ya. Zeldovich, Yu. Khariton hanno dimostrato la possibilità di una reazione a catena di fissione nucleare che si verifica nell'uranio.

1940− G. Flerov e K. Petrzhak hanno scoperto il fenomeno della fissione spontanea dei nuclei di Uuranio.

1942− E. Fermi ha effettuato una reazione a catena di fissione controllata nel primo reattore atomico.

1945− Il primo test di armi nucleari (Nevada, USA). Bombe atomiche furono sganciate sulle città giapponesi di Hiroshima (6 agosto) e Nagasaki (9 agosto).

1946− Sotto la guida di I.V. Kurchatov, è stato lanciato il primo reattore in Europa.

1954− Avviata la prima centrale nucleare al mondo (Obninsk, URSS).

Fissione nucleare.Dal 1934 E. Fermi iniziò a usare i neutroni per bombardare gli atomi. Da allora, il numero di nuclei stabili o radioattivi ottenuti dalla trasformazione artificiale è aumentato a molte centinaia e quasi tutti i posti nella tavola periodica sono stati riempiti di isotopi.
Gli atomi che sorgono in tutte queste reazioni nucleari occupavano lo stesso posto nella tavola periodica dell'atomo bombardato o dei luoghi vicini. Pertanto, la dimostrazione di Hahn e Strassmann nel 1938 del fatto che quando i neutroni bombardano l'ultimo elemento del sistema periodico−uranio−decadono in elementi che si trovano nelle parti centrali del sistema periodico. Esibirsi qui diversi tipi decadimento. Gli atomi che sorgono sono per lo più instabili e decadono immediatamente ulteriormente; alcuni hanno un'emivita misurata in secondi, quindi Gan ha dovuto fare domanda metodo analitico Curie per prolungare un processo così veloce. È importante notare che anche gli elementi di fronte a uranio, protoattinio e torio mostrano un decadimento simile sotto l'azione dei neutroni, sebbene per l'inizio del decadimento sia necessaria un'energia neutronica maggiore rispetto al caso dell'uranio. Insieme a questo, nel 1940, G. N. Flerov e K. A. Petrzhak scoprirono la fissione spontanea del nucleo di uranio con l'emivita più lunga conosciuta fino ad allora: circa 2· 10 15 anni; questo fatto diventa chiaro a causa dei neutroni rilasciati nel processo. Quindi è stato possibile capire perché il sistema periodico "naturale" termina con i tre elementi nominati. Gli elementi transuranici sono ora noti, ma sono così instabili che decadono rapidamente.
La fissione dell'uranio per mezzo dei neutroni consente ora di utilizzare l'energia atomica, che è stata già immaginata da molti come "il sogno di Jules Verne".

M. Laue, Storia della fisica

1939 O. Hahn e F. Strassmann, irradiando sali di uranio con neutroni termici, scoprono il bario (Z = 56) tra i prodotti di reazione

Otto Gunn (1879 – 1968)

La fissione nucleare è la scissione di un nucleo in due (raramente tre) nuclei con masse simili, chiamati frammenti di fissione. Durante la fissione sorgono anche altre particelle: neutroni, elettroni, particelle α. Come risultato della fissione, viene rilasciata un'energia di circa 200 MeV. La fissione può essere spontanea o forzata sotto l'azione di altre particelle, il più delle volte neutroni.
Una caratteristica della fissione è che i frammenti di fissione, di regola, differiscono significativamente in massa, ad es. predomina la fissione asimmetrica. Pertanto, nel caso della fissione più probabile dell'isotopo 236 U dell'uranio, il rapporto di massa del frammento è 1,46. Un frammento pesante ha un numero di massa di 139 (xenon) e un frammento leggero ha un numero di massa di 95 (stronzio). Tenendo conto dell'emissione di due neutroni rapidi, la reazione di fissione considerata ha la forma

Premio Nobel per la Chimica
1944 - O.Gan.
Per la scoperta della reazione di fissione dei nuclei di uranio da parte dei neutroni.

Frammenti di fissione

Dipendenza delle masse medie di gruppi di frammenti leggeri e pesanti dalla massa del nucleo fissile.

Scoperta della fissione nucleare. 1939

Sono venuta in Svezia, dove Lise Meitner soffriva di solitudine e, da devoto nipote, ho deciso di farle visita a Natale. Viveva nel piccolo hotel Kungälv vicino a Göteborg. L'ho beccata a colazione. Considerò la lettera che aveva appena ricevuto da Han. Ero molto scettico sul contenuto della lettera, che riportava la formazione di bario irradiando l'uranio con neutroni. Tuttavia, è stata attratta da questa opportunità. Abbiamo camminato nella neve, lei ha camminato, io ho sciato (ha detto che poteva fare così senza cadere dietro di me, e lo ha dimostrato). Alla fine del cammino siamo già stati in grado di formulare alcune conclusioni; il nucleo non si è spaccato e da esso non sono volati via pezzi, ma è stato un processo che assomigliava piuttosto al modello a goccia del nucleo di Bohr; come una goccia, il nucleo potrebbe allungarsi e dividersi. Poi ho esplorato come carica elettrica nucleons riduce la tensione superficiale, che, come ho potuto stabilire, scende a zero a Z = 100 e, forse, è molto piccola per l'uranio. Lise Meitner era impegnata a determinare l'energia rilasciata durante ogni decadimento a causa di un difetto di massa. Aveva un'idea molto chiara della curva del difetto di massa. Si è scoperto che a causa della repulsione elettrostatica, gli elementi di fissione avrebbero acquisito un'energia di circa 200 MeV, che corrispondeva proprio all'energia associata a un difetto di massa. Pertanto, il processo potrebbe procedere in modo puramente classico senza coinvolgere il concetto di passaggio attraverso una potenziale barriera, che, ovviamente, qui sarebbe inutile.
Abbiamo trascorso due o tre giorni insieme a Natale. Poi sono tornato a Copenaghen e ho appena avuto il tempo di raccontare a Bohr la nostra idea proprio nel momento in cui stava già imbarcandosi sul piroscafo per gli Stati Uniti. Ricordo come si schiaffeggiò sulla fronte non appena cominciai a parlare ed esclamò: “Oh, che sciocchi siamo stati! Avremmo dovuto accorgercene prima". Ma non se ne accorse e nessuno se ne accorse.
Lise Meitner ed io abbiamo scritto un articolo. Allo stesso tempo, ci tenevamo costantemente in contatto con il telefono a lunga distanza Copenaghen - Stoccolma.

O. Frisch, Memorie. UFN. 1968. T. 96, n. 4, p. 697.

Fissione nucleare spontanea

Negli esperimenti descritti di seguito, abbiamo utilizzato il metodo proposto per la prima volta da Frisch per la registrazione dei processi di fissione nucleare. Una camera di ionizzazione con piastre ricoperte da uno strato di ossido di uranio è collegata ad un amplificatore lineare sintonizzato in modo tale che le particelle α emesse dall'uranio non vengano registrate dal sistema; gli impulsi dei frammenti, che sono molto più grandi degli impulsi delle particelle α, sbloccano il tiratrone di uscita e sono considerati un relè meccanico.
Una camera di ionizzazione è stata appositamente progettata sotto forma di un condensatore piatto multistrato con con superficie totale 15 lastre in 1000 cm Le lastre, poste ad una distanza di 3 mm l'una dall'altra, sono state ricoperte con uno strato di ossido di uranio 10-20 mg/cm 2 .
Nei primissimi esperimenti con un amplificatore sintonizzato per contare i frammenti, è stato possibile osservare impulsi spontanei (in assenza di una sorgente di neutroni) su un relè e un oscilloscopio. Il numero di questi impulsi era piccolo (6 ogni 1 ora), ed è quindi abbastanza comprensibile che questo fenomeno non potesse essere osservato con telecamere del solito tipo...
Tendiamo a pensarlo l'effetto che osserviamo è da attribuire ai frammenti risultanti dalla fissione spontanea dell'uranio...

La fissione spontanea dovrebbe essere attribuita a uno degli isotopi U non eccitati con emivite derivati ​​​​da una valutazione dei nostri risultati:

u 238 – 10 16 ~ 10 17 anni,
u 235 – 10 14 ~ 10 15 anni,
u 234 – 10 12 ~ 10 13 anni.

Decadimento isotopico 238 u

Fissione nucleare spontanea

Emivite di isotopi spontaneamente fissili Z = 92 - 100

Il primo sistema sperimentale con reticolo uranio-grafite fu realizzato nel 1941 sotto la direzione di E. Fermi. Era un cubo di grafite con una nervatura lunga 2,5 m, contenente circa 7 tonnellate di ossido di uranio, racchiuso in vasi di ferro, che erano posti nel cubo a distanze uguali tra loro. Una sorgente di neutroni RaBe è stata collocata nella parte inferiore del reticolo di uranio-grafite. Il fattore di moltiplicazione in un tale sistema era ≈0,7. L'ossido di uranio conteneva dal 2 al 5% di impurità. Ulteriori sforzi sono stati diretti ad ottenere di più materiali puliti e nel maggio 1942 si ottenne l'ossido di uranio, in cui l'impurità era inferiore all'1%. Per garantire una reazione a catena di fissione, era necessario utilizzare una grande quantità di grafite e uranio, dell'ordine di diverse tonnellate. Le impurità dovevano essere inferiori a poche parti per milione. Il reattore, assemblato alla fine del 1942 da Fermi all'Università di Chicago, aveva la forma di uno sferoide incompleto tagliato dall'alto. Conteneva 40 tonnellate di uranio e 385 tonnellate di grafite. La sera del 2 dicembre 1942, dopo che le barre di assorbimento dei neutroni furono rimosse, si scoprì che all'interno del reattore stava avvenendo una reazione nucleare a catena. Il coefficiente misurato era 1.0006. Inizialmente, il reattore funzionava a un livello di potenza di 0,5 W. Entro il 12 dicembre, la sua potenza è stata aumentata a 200 watt. Successivamente, il reattore è stato spostato in più posto sicuro, e la sua potenza è stata aumentata a diversi kW. In questo caso, il reattore ha consumato 0,002 g di uranio-235 al giorno.

Il primo reattore nucleare dell'URSS

L'edificio per il primo reattore nucleare di ricerca F-1 nell'URSS era pronto nel giugno 1946.
Dopo che sono stati effettuati tutti gli esperimenti necessari, è stato sviluppato il sistema di controllo e protezione del reattore, sono state stabilite le dimensioni del reattore, sono stati eseguiti tutti gli esperimenti necessari con modelli di reattore, è stata determinata la densità dei neutroni su diversi modelli, sono stati ottenuti blocchi di grafite (la cosiddetta purezza nucleare) e (dopo i controlli fisico-neutronici) blocchi di uranio, nel novembre 1946 iniziò la costruzione del reattore F-1.
Il raggio totale del reattore era di 3,8 m e richiedeva 400 tonnellate di grafite e 45 tonnellate di uranio. Il reattore è stato assemblato a strati e alle 15:00 del 25 dicembre 1946 è stato assemblato l'ultimo, il 62° strato. Dopo l'estrazione delle cosiddette barre di emergenza, la barra di controllo fu sollevata, la densità dei neutroni iniziò a contare e alle 18:00 del 25 dicembre 1946 prese vita il primo reattore dell'URSS. È stata un'entusiasmante vittoria per gli scienziati, i creatori di un reattore nucleare e tutto il resto popolo sovietico. Un anno e mezzo dopo, il 10 giugno 1948, il reattore industriale con acqua nei canali raggiunse uno stato critico e presto iniziò la produzione industriale di un nuovo tipo di combustibile nucleare: il plutonio.