Ko sauc par kodola skaldīšanas reakciju. Urāna kodola skaldīšana

Klase

Nodarbība #42-43

Ķēdes reakcija urāna kodolu skaldīšana. Kodolenerģija un ekoloģija. Radioaktivitāte. Pus dzīve.

Kodolreakcijas

Kodolreakcija ir mijiedarbības process atoma kodols ar citu kodolu vai elementārdaļiņa, ko pavada izmaiņas kodola sastāvā un struktūrā un sekundāro daļiņu jeb γ-kvantu izdalīšanās.

Kodolreakciju rezultātā var veidoties jauni radioaktīvie izotopi, kas uz Zemes neatrodas vivo.

Pirmo kodolreakciju veica E. Rezerfords 1919. gadā eksperimentos, lai noteiktu protonus kodola sabrukšanas produktos (sk. § 9.5). Rezerfords bombardēja slāpekļa atomus ar alfa daļiņām. Daļiņām saduroties, notika kodolreakcija, kas norisinājās pēc šādas shēmas:

Kodolreakciju laikā vairāki saglabāšanas likumi: impulss, enerģija, leņķiskais impulss, lādiņš. Papildus šiem klasiskajiem saglabāšanas likumiem kodolreakcijās ir spēkā tā sauktais saglabāšanas likums. bariona lādiņš(tas ir, nukleonu skaits - protoni un neitroni). Ir spēkā arī vairāki citi kodolfizikas un elementārdaļiņu fizikas saglabāšanas likumi.

Kodolreakcijas var notikt, kad atomus bombardē ātri uzlādētas daļiņas (protoni, neitroni, α-daļiņas, joni). Pirmā šāda veida reakcija tika veikta, izmantojot augstas enerģijas protonus, kas iegūti akseleratorā 1932.

kur M A un M B ir sākotnējo produktu masas, M C un M D ir masas gala produkti reakcijas. Tiek izsaukta vērtība ΔM masas defekts. Kodolreakcijas var turpināties ar enerģijas izdalīšanos (Q > 0) vai ar enerģijas absorbciju (Q< 0). Во втором случае первоначальная кинетическая энергия исходных продуктов должна превышать величину |Q|, которая называется порогом реакции.

Lai kodolreakcijai būtu pozitīva enerģijas atdeve, specifiskā saistīšanas enerģija nukleoniem sākotnējo produktu kodolos jābūt mazākam specifiskā enerģija nukleonu saites galaproduktu kodolos. Tas nozīmē, ka ΔM jābūt pozitīvam.

Ir divi principiāli atšķirīgi veidi, kā atbrīvot kodolenerģiju.

1. Smago kodolu skaldīšana. Atšķirībā no kodolu radioaktīvās sabrukšanas, ko pavada α- vai β-daļiņu emisija, dalīšanās reakcijas ir process, kurā nestabils kodols tiek sadalīts divos lielos salīdzināmas masas fragmentos.

1939. gadā vācu zinātnieki O. Hāns un F. Štrasmans atklāja urāna kodolu skaldīšanu. Turpinot Fermi iesākto pētījumu, viņi atklāja, ka, bombardējot urānu ar neitroniem, vidusdaļas elementi. periodiska sistēma– bārija (Z = 56), kriptona (Z = 36) u.c. radioaktīvie izotopi.

Urāns dabā sastopams divu izotopu veidā: (99,3%) un (0,7%). Bombardējot ar neitroniem, abu izotopu kodoli var sadalīties divos fragmentos. Šajā gadījumā skaldīšanas reakcija visintensīvāk notiek ar lēniem (termiskiem) neitroniem, savukārt kodoli dalīšanās reakcijā notiek tikai ar ātrajiem neitroniem, kuru enerģija ir aptuveni 1 MeV.

Galvenā interese par kodolenerģija attēlo kodola dalīšanās reakciju.Šobrīd ir zināmi aptuveni 100 dažādi izotopi ar masas skaitu no aptuveni 90 līdz 145, kas radušies šī kodola skaldīšanas rezultātā. Divām tipiskām šī kodola dalīšanās reakcijām ir šāda forma:

Ņemiet vērā, ka neitrona ierosinātās kodola skaldīšanas rezultātā rodas jauni neitroni, kas var izraisīt skaldīšanas reakcijas citos kodolos. Urāna-235 kodolu skaldīšanas produkti var būt arī citi bārija, ksenona, stroncija, rubīdija u.c. izotopi.

Viena urāna kodola skaldīšanas laikā izdalītā kinētiskā enerģija ir milzīga – aptuveni 200 MeV. Kodola skaldīšanas laikā atbrīvoto enerģiju var novērtēt, izmantojot specifiskā saistīšanas enerģija nukleoni kodolā. Nukleonu īpatnējā saistīšanās enerģija kodolos ar masas skaitli A ≈ 240 ir aptuveni 7,6 MeV/nukleons, savukārt kodolos ar masas skaitļiem A = 90–145 īpatnējā enerģija ir aptuveni vienāda ar 8,5 MeV/nukleonu. Tāpēc urāna kodola dalīšanās rezultātā atbrīvo enerģiju aptuveni 0,9 MeV uz vienu nukleonu jeb aptuveni 210 MeV uz urāna atomu. Pilnīgi sadaloties visiem kodoliem, kas atrodas 1 g urāna, izdalās tāda pati enerģija kā 3 tonnu ogļu vai 2,5 tonnu naftas sadegšanas laikā.

Urāna kodola skaldīšanas produkti ir nestabili, jo tajos ir ievērojams neitronu daudzums. Patiešām, N/Z attiecība vissmagākajiem kodoliem ir aptuveni 1,6 (9.6.2. att.), kodoliem ar masas skaitļiem no 90 līdz 145 šī attiecība ir aptuveni 1,3–1,4. Tāpēc fragmentu kodoli piedzīvo virkni secīgu β - sabrukumu, kā rezultātā palielinās protonu skaits kodolā, un neitronu skaits samazinās, līdz veidojas stabils kodols.

Urāna-235 kodola skaldīšanas laikā, ko izraisa sadursme ar neitronu, tiek atbrīvoti 2 vai 3 neitroni. Labvēlīgos apstākļos šie neitroni var ietriekties citos urāna kodolos un izraisīt to skaldīšanu. Šajā posmā jau parādīsies no 4 līdz 9 neitroni, kas spēj izraisīt jaunu urāna kodolu sabrukšanu utt. Šādu lavīnai līdzīgu procesu sauc par ķēdes reakciju. Attīstības shēma ķēdes reakcija urāna kodolu skaldīšana parādīta att. 9.8.1.

Attēls 9.8.1. Ķēdes reakcijas attīstības shēma.

Lai notiktu ķēdes reakcija, nepieciešams, lai t.s neitronu reizināšanas koeficients bija lielāks par vienu. Citiem vārdiem sakot, katrā nākamajā paaudzē vajadzētu būt vairāk neitronu nekā iepriekšējā. Reizināšanas koeficientu nosaka ne tikai katrā elementārajā notikumā saražoto neitronu skaits, bet arī apstākļi, kādos notiek reakcija – daļu neitronu var absorbēt citi kodoli vai atstāt reakcijas zonu. Urāna-235 kodolu skaldīšanas laikā izdalītie neitroni var izraisīt tikai tā paša urāna kodolu skaldīšanu, kas veido tikai 0,7% no dabiskā urāna. Šī koncentrācija nav pietiekama, lai sāktu ķēdes reakciju. Izotops var arī absorbēt neitronus, bet ķēdes reakcija nenotiek.

ķēdes reakcija urānā augsts saturs urāns-235 var attīstīties tikai tad, ja urāna masa pārsniedz t.s kritiskā masa. Nelielos urāna gabaliņos lielākā daļa neitronu, neietriecoties nevienā kodolā, izlido. Tīram urānam-235 kritiskā masa ir aptuveni 50 kg. Urāna kritisko masu var daudzkārt samazināt, izmantojot t.s moderatori neitroni. Fakts ir tāds, ka neitroniem, kas rodas urāna kodolu sabrukšanas laikā, ir pārāk liels ātrums, un varbūtība, ka urāna-235 kodoli uztvers lēnos neitronus, ir simtiem reižu lielāka nekā ātrajiem. Labākais neitronu moderators ir smagais ūdens D 2 O. Mijiedarbojoties ar neitroniem, parastais ūdens pats pārvēršas smagā ūdenī.

Labs moderators ir arī grafīts, kura kodoli neuzsūc neitronus. Elastīgā mijiedarbībā ar deitēriju vai oglekļa kodoliem neitroni tiek palēnināti līdz termiskajam ātrumam.

Neitronu moderatoru un īpaša berilija apvalka, kas atspoguļo neitronus, izmantošana ļauj samazināt kritisko masu līdz 250 g.

Atombumbās notiek nekontrolēta kodolķēdes reakcija, kad ātrs savienojums divi urāna-235 gabali, no kuriem katra masa ir nedaudz zemāka par kritisko.

Tiek saukta ierīce, kas uztur kontrolētu kodola skaldīšanas reakciju kodolenerģijas(vai atomu) reaktors. Shēma kodolreaktors uz lēniem neitroniem ir parādīts att. 9.8.2.

Attēls 9.8.2. Kodolreaktora iekārtas shēma.

Kodolreakcija notiek reaktora aktīvajā zonā, kas ir piepildīta ar moderatoru un caurdurta ar stieņiem, kas satur bagātinātu urāna izotopu maisījumu ar augstu urāna-235 saturu (līdz 3%). Kodolā tiek ievadīti kadmiju vai boru saturoši kontroles stieņi, kas intensīvi absorbē neitronus. Stieņu ievadīšana kodolā ļauj kontrolēt ķēdes reakcijas ātrumu.

Kodols tiek atdzesēts ar sūknējamu dzesēšanas šķidrumu, kas var būt ūdens vai metāls ar zemu kušanas temperatūru (piemēram, nātrijs, kura kušanas temperatūra ir 98 °C). Tvaika ģeneratorā dzesēšanas šķidrums tiek pārnests siltumenerģijaūdeni, pārvēršot to tvaikā augstspiediena. Tvaiks tiek nosūtīts uz turbīnu, kas savienota ar elektrisko ģeneratoru. No turbīnas tvaiks nonāk kondensatorā. Lai izvairītos no starojuma noplūdes, dzesēšanas šķidruma I un tvaika ģeneratora II ķēdes darbojas slēgtos ciklos.

Atomelektrostacijas turbīna ir siltumdzinējs, kas nosaka iekārtas kopējo efektivitāti saskaņā ar otro termodinamikas likumu. Mūsdienu atomelektrostacijām efektivitāte ir aptuveni vienāda Tāpēc 1000 MW ražošanai elektriskā jauda reaktora siltuma jaudai jāsasniedz 3000 MW. 2000 MW ir jānoņem ūdens, kas dzesē kondensatoru. Tas noved pie dabisko ūdenstilpņu lokālas pārkaršanas un tam sekojošas vides problēmu rašanās.

tomēr galvenā problēma ir nodrošināt pilnīgu atomelektrostacijās strādājošo cilvēku radiācijas drošību un novērst nejaušu radioaktīvo vielu noplūdi, kas lielos daudzumos uzkrājas reaktora aktīvajā zonā. Kodolreaktoru izstrādē šai problēmai tiek pievērsta liela uzmanība. Tomēr pēc avārijām dažās atomelektrostacijās, jo īpaši Pensilvānijas atomelektrostacijā (ASV, 1979) un Černobiļas atomelektrostacijā (1986), kodolenerģijas drošības problēma ir kļuvusi īpaši aktuāla.

Līdzās iepriekš aprakstītajam kodolreaktoram, kas darbojas uz lēnajiem neitroniem, lielu praktisku interesi rada reaktori, kas darbojas bez moderatora uz ātrajiem neitroniem. Šādos reaktoros kodoldegviela ir bagātināts maisījums, kas satur vismaz 15% izotopu.Ātro neitronu reaktoru priekšrocība ir tāda, ka to darbības laikā urāna-238 kodoli, absorbējot neitronus, caur diviem secīgiem β - sabrukšanas procesiem tiek pārvērsti plutonijā. kodoli, kurus pēc tam var izmantot kā kodoldegvielu:

Šādu reaktoru audzēšanas koeficients sasniedz 1,5, tas ir, uz 1 kg urāna-235 tiek iegūts līdz 1,5 kg plutonija. Tradicionālie reaktori ražo arī plutoniju, bet daudz mazākos daudzumos.

Pirmais kodolreaktors tika uzbūvēts 1942. gadā ASV E. Fermi vadībā. Mūsu valstī pirmais reaktors tika uzbūvēts 1946. gadā IV Kurčatova vadībā.

2. kodoltermiskās reakcijas. Otrs veids, kā atbrīvot kodolenerģiju, ir saistīts ar kodolsintēzes reakcijām. Vieglo kodolu saplūšanas un jauna kodola veidošanās laikā, liels skaits enerģiju. To var redzēt no īpatnējās saistīšanas enerģijas atkarības no masas skaitļa A (9.6.1. att.). Līdz kodoliem, kuru masas skaitlis ir aptuveni 60, nukleonu īpatnējā saistīšanās enerģija palielinās, palielinoties A. Tāpēc jebkura kodola ar A sintēze.< 60 из более легких ядер должен сопровождаться выделением энергии. Общая масса продуктов реакции синтеза будет в этом случае меньше массы первоначальных частиц.

Tiek sauktas vieglo kodolu saplūšanas reakcijas kodoltermiskās reakcijas, jo tie var plūst tikai ļoti augstā temperatūrā. Lai divi kodoli nonāktu saplūšanas reakcijā, tiem jātuvojas kodolspēku darbības attālumam aptuveni 2,10–15 m, pārvarot to pozitīvo lādiņu elektrisko atgrūšanos. Šim nolūkam vidējā kinētiskā enerģija termiskā kustība molekulām jāpārsniedz Kulona mijiedarbības potenciālā enerģija. Aprēķinot nepieciešamo temperatūru T, tiek iegūta vērtība aptuveni 10 8–10 9 K. Tā ir ārkārtīgi augsta temperatūra. Šajā temperatūrā viela atrodas pilnībā jonizētā stāvoklī, ko sauc plazma.

Enerģija, kas izdalās termokodolreakcijās uz vienu nukleonu, ir vairākas reizes lielāka nekā īpatnējā enerģija, kas izdalās kodola skaldīšanas ķēdes reakcijās. Tā, piemēram, deitērija un tritija kodolu saplūšanas reakcijā

Atbrīvojas 3,5 MeV/nukleons. Kopumā šajā reakcijā izdalās 17,6 MeV. Šī ir viena no daudzsološākajām kodoltermiskajām reakcijām.

Īstenošana kontrolētas kodoltermiskās reakcijas dos cilvēcei jaunu videi draudzīgu un praktiski neizsmeļamu enerģijas avotu. Tomēr īpaši augstas temperatūras iegūšana un plazmas uzsildīšana līdz miljardam grādu ir grūtākais zinātniskais un tehniskais uzdevums ceļā uz kontrolētas kodolsintēzes ieviešanu.

Uz šis posms zinātnes un tehnoloģiju attīstība ir bijusi tikai nekontrolēta saplūšanas reakcijaūdeņraža bumbā. Kodolsintēzei nepieciešamā augstā temperatūra šeit tiek sasniegta, detonējot parasto urāna vai plutonija bumbu.

Termonukleārajām reakcijām ir ārkārtīgi liela nozīme Visuma evolūcijā. Saules un zvaigžņu starojuma enerģijai ir kodoltermiskā izcelsme.

Radioaktivitāte

Gandrīz 90% no zināmajiem 2500 atomu kodoliem ir nestabili. Nestabils kodols spontāni pārvēršas citos kodolos ar daļiņu emisiju. Šo kodolu īpašību sauc radioaktivitāte. Lieliem kodoliem nestabilitāte rodas konkurences dēļ starp nukleonu piesaisti ar kodolspēkiem un Kulona protonu atgrūšanu. Stabilu kodolu ar lādiņa skaitli Z > 83 un masas skaitli A > 209 nav.Bet radioaktīvi var izrādīties arī atomu kodoli ar ievērojami mazākiem Z un A skaitļiem.Ja kodolā ir ievērojami vairāk protonu nekā neitronu, tad rodas nestabilitāte. ar Kulona mijiedarbības enerģijas pārpalikumu. Kodoli, kuros būtu liels neitronu pārpalikums pār protonu skaitu, ir nestabili tāpēc, ka neitrona masa pārsniedz protona masu. Kodola masas palielināšanās noved pie tā enerģijas palielināšanās.

Radioaktivitātes fenomenu 1896. gadā atklāja franču fiziķis A. Bekerels, kurš atklāja, ka urāna sāļi izstaro nezināmu starojumu, kas var izspiesties cauri gaismai necaurredzamām barjerām un izraisīt fotogrāfiskās emulsijas nomelnošanu. Divus gadus vēlāk franču fiziķi M. un P. Kirī atklāja torija radioaktivitāti un atklāja divus jaunus radioaktīvos elementus – poloniju un rādiju.

Turpmākajos gados daudzi fiziķi, tostarp E. Rezerfords un viņa studenti, nodarbojās ar radioaktīvā starojuma būtības izpēti. Tika konstatēts, ka radioaktīvie kodoli var izstarot trīs veidu daļiņas: pozitīvi un negatīvi lādētas un neitrālas. Šos trīs starojuma veidus sauca par α-, β- un γ-starojumu. Uz att. 9.7.1. parādīta eksperimenta shēma, kas dod iespēju noteikt radioaktīvā starojuma komplekso sastāvu. Magnētiskajā laukā α un β stari novirzās pretējos virzienos, bet β stari novirzās daudz vairāk. γ-stari magnētiskajā laukā vispār nenovirzās.

Šie trīs radioaktīvā starojuma veidi ievērojami atšķiras viens no otra ar spēju jonizēt matērijas atomus un līdz ar to arī ar caurlaidības spēju. α-starojumam ir vismazākā iespiešanās spēja. Gaisā normālos apstākļos α-stari pārvietojas vairāku centimetru attālumā. β-starus daudz mazāk absorbē viela. Tie spēj iziet cauri vairākus milimetrus biezam alumīnija slānim. γ-stariem ir vislielākā iespiešanās spēja, kas spēj iziet cauri svina slānim, kura biezums ir 5–10 cm.

20. gadsimta otrajā desmitgadē pēc E. Rezerforda atklājuma kodola struktūra atomi, tika stingri noteikts, ka radioaktivitāte ir atomu kodolu īpašības. Pētījumi ir parādījuši, ka α-stari ir α-daļiņu plūsma - hēlija kodoli, β-stari ir elektronu plūsma, γ-stari ir īsviļņu elektromagnētiskā radiācija ar ārkārtīgi īsu viļņa garumu λ< 10 –10 м и вследствие этого – ярко выраженными корпускулярными свойствами, то есть является потоком частиц – γ-квантов.

Alfa sabrukšana. Alfa sabrukšana ir atoma kodola ar protonu skaitu Z un neitronu N spontāna pārvēršanās citā (meitas) kodolā, kas satur protonu skaitu Z - 2 un neitronus N - 2. Šajā gadījumā tiek emitēta α-daļiņa - hēlija atoma kodols. Šāda procesa piemērs ir rādija α sabrukšana:

Alfa daļiņas, ko izstaro rādija atomu kodoli, Raterfords izmantoja eksperimentos par smago elementu kodolu izkliedi. Rādija kodolu α sabrukšanas laikā emitēto α-daļiņu ātrums, mērot pa trajektorijas izliekumu magnētiskajā laukā, ir aptuveni vienāds ar 1,5 10 7 m/s, un atbilstošā kinētiskā enerģija ir aptuveni 7,5 10 -13 J (apmēram 4,8 MeV). Šo vērtību var viegli noteikt no zināmās vērtības vecāku un meitas kodolu un hēlija kodola masas. Lai gan izmestās α-daļiņas ātrums ir milzīgs, tas joprojām ir tikai 5% no gaismas ātruma, tāpēc aprēķinos var izmantot nerelativistisku kinētiskās enerģijas izteiksmi.

Pētījumi liecina, ka radioaktīvā viela var emitēt α-daļiņas ar vairākām atsevišķām enerģijas vērtībām. Tas izskaidrojams ar to, ka kodoli, tāpat kā atomi, var būt dažādos ierosinātos stāvokļos. Meitas kodols var atrasties vienā no šiem ierosinātajiem stāvokļiem α-sabrukšanas laikā. Turpmākās šī kodola pārejas laikā uz pamatstāvokli tiek emitēts γ-kvants. Rādija α-sabrukšanas shēma ar α-daļiņu emisiju ar divām kinētisko enerģiju vērtībām ir parādīta attēlā. 9.7.2.

Tādējādi kodolu α-sabrukšanu daudzos gadījumos pavada γ-starojums.

α-sabrukšanas teorijā tiek pieņemts, ka grupas, kas sastāv no diviem protoniem un diviem neitroniem, tas ir, α-daļiņas, var veidoties kodolu iekšpusē. Sākotnējais kodols ir paredzēts α-daļiņām potenciāls labi, kas ir ierobežots potenciālā barjera. Kodolā esošās α-daļiņas enerģija ir nepietiekama, lai pārvarētu šo barjeru (9.7.3. att.). α-daļiņas izgrūšana no kodola iespējama tikai pateicoties kvantu mehāniskai parādībai, ko sauc tuneļa efekts. Saskaņā ar kvantu mehānika, pastāv nulles varbūtība, ka daļiņa izies zem potenciāla barjeras. Tunelēšanas fenomenam ir varbūtības raksturs.

Beta sabrukšana. Beta sabrukšanas gadījumā no kodola izdalās elektrons. Kodolu iekšpusē elektroni nevar pastāvēt (sk. § 9.5), tie rodas β-sabrukšanas laikā neitrona pārvēršanās protonā rezultātā. Šis process var notikt ne tikai kodola iekšpusē, bet arī ar brīvajiem neitroniem. Brīvā neitrona vidējais kalpošanas laiks ir aptuveni 15 minūtes. Kad neitrons sadalās protonā un elektronā

Mērījumi parādīja, ka šajā procesā ir acīmredzams enerģijas nezūdamības likuma pārkāpums, jo protona un elektrona kopējā enerģija, kas rodas neitrona sabrukšanas rezultātā, ir mazāka par neitrona enerģiju. 1931. gadā V. Pauli ierosināja, ka neitrona sabrukšanas laikā izdalās cita daļiņa ar nulles masu un lādiņu, kas atņem daļu enerģijas. Jaunā daļiņa ir nosaukta neitrīno(mazs neitrons). Tā kā neitrīnā nav lādiņa un masas, šī daļiņa ļoti vāji mijiedarbojas ar matērijas atomiem, tāpēc eksperimentā to ir ārkārtīgi grūti noteikt. Neitrīno jonizācijas spēja ir tik maza, ka viens jonizācijas akts gaisā iekrīt aptuveni 500 km garumā. Šī daļiņa tika atklāta tikai 1953. gadā. Šobrīd ir zināms, ka ir vairākas neitrīno šķirnes. Neitronu sabrukšanas procesā rodas daļiņa, ko sauc elektroniskais antineitrīns. To apzīmē ar simbolu Tāpēc neitronu sabrukšanas reakcija tiek rakstīta kā

Līdzīgs process notiek arī kodolos β-sabrukšanas laikā. Elektrons, kas izveidojies viena kodola neitrona sabrukšanas rezultātā, nekavējoties tiek izmests no “mātes mājas” (kodola) ar milzīgu ātrumu, kas var atšķirties no gaismas ātruma tikai par procenta daļu. Tā kā β-sabrukšanas laikā atbrīvotās enerģijas sadalījums starp elektronu, neitrīno un meitas kodolu ir nejaušs, β-elektroniem var būt dažādi ātrumi plašā diapazonā.

β-sabrukumā maksas numurs Z palielinās par vienu, bet masas skaitlis A paliek nemainīgs. Meitas kodols izrādās viena no elementa izotopiem kodols, kura kārtas numurs periodiskajā tabulā ir par vienu augstāks nekā sākotnējā kodola kārtas numurs. Tipisks piemērsβ-sabrukšana var kalpot kā torija izotona transformācija, kas rodas urāna α-sabrukšanas rezultātā par palādiju

Gamma sabrukšana. Atšķirībā no α- un β-radioaktivitātes, kodolu γ-radioaktivitāte nav saistīta ar izmaiņām kodola iekšējā struktūrā un nav saistīta ar izmaiņām lādiņos vai masas skaitļos. Gan α-, gan β-sabrukšanas gadījumā meitas kodols var būt satrauktā stāvoklī un tam var būt enerģijas pārpalikums. Kodola pāreju no ierosinātā stāvokļa uz pamatstāvokli pavada viena vai vairāku γ-kvantu emisija, kuru enerģija var sasniegt vairākus MeV.

Radioaktīvās sabrukšanas likums. Jebkurš radioaktīvā materiāla paraugs satur milzīgu skaitu radioaktīvo atomu. Tā kā radioaktīvā sabrukšana ir nejauša un nav atkarīga no ārējiem apstākļiem, tad nesadalījušos k skaitļa N(t) samazināšanās likums pašreizējais brīdis Kodolu laiks t var kalpot par svarīgu radioaktīvās sabrukšanas procesa statistisko raksturlielumu.

Ļaujiet nesabrukušo kodolu skaitam N(t) mainīties par ΔN īsā laika periodā Δt< 0. Так как вероятность распада каждого ядра неизменна во времени, что число распадов будет пропорционально количеству ядер N(t) и промежутку времени Δt:

Proporcionalitātes koeficients λ ir kodola sabrukšanas varbūtība laikā Δt = 1 s. Šī formula nozīmē, ka funkcijas N(t) izmaiņu ātrums ir tieši proporcionāls pašai funkcijai.

kur N 0 ir sākotnējais radioaktīvo kodolu skaits pie t = 0. Laikā τ = 1 / λ nesabrukušo kodolu skaits samazināsies par e ≈ 2,7 reizes. Tiek izsaukta vērtība τ vidējais dzīves ilgums radioaktīvais kodols.

Praktiskai lietošanai ir ērti uzrakstīt radioaktīvās sabrukšanas likumu citā formā, par pamatu izmantojot skaitli 2, nevis e:

T vērtību sauc Pus dzīve. Laikā T puse no sākotnējā radioaktīvo kodolu skaita sadalās. T un τ vērtības ir saistītas ar attiecību

Pussabrukšanas periods ir galvenais lielums, kas raksturo radioaktīvās sabrukšanas ātrumu. Jo īsāks pussabrukšanas periods, jo intensīvāka ir sabrukšana. Tādējādi urānam T ≈ 4,5 miljardi gadu un rādijam T ≈ 1600 gadu. Tāpēc rādija aktivitāte ir daudz augstāka nekā urāna aktivitāte. Ir radioaktīvie elementi, kuru pussabrukšanas periods ir sekundes daļa.

Dabiskos apstākļos nav sastopams un beidzas ar bismutu. Šī radioaktīvo sabrukšanas sērija notiek kodolreaktori.

Interesants pieteikums radioaktivitāte ir arheoloģisko un ģeoloģisko atradumu datēšanas metode pēc radioaktīvo izotopu koncentrācijas. Visbiežāk izmantotā metode ir radiooglekļa datēšana. Kosmisko staru izraisīto kodolreakciju dēļ atmosfērā rodas nestabils oglekļa izotops. Neliels procents šī izotopa ir atrodams gaisā kopā ar parasto stabilo izotopu.Augi un citi organismi patērē oglekli no gaisa un uzkrāj abus izotopus tādā pašā proporcijā kā gaisā. Pēc augu nāves tie pārstāj patērēt oglekli, un β-sabrukšanas rezultātā nestabilais izotops pamazām pārvēršas slāpeklī ar pussabrukšanas periodu 5730 gadi. veidā precīzs mērījums Radioaktīvā oglekļa relatīvā koncentrācija seno organismu atliekās var noteikt to nāves laiku.

Visu veidu radioaktīvais starojums (alfa, beta, gamma, neitroni), kā arī elektromagnētiskais starojums ( rentgenstari) ir ļoti spēcīga bioloģiskā ietekme uz dzīviem organismiem, kas sastāv no dzīvās šūnas veidojošo atomu un molekulu ierosmes un jonizācijas procesos. Jonizējošā starojuma ietekmē tiek iznīcinātas sarežģītas molekulas un šūnu struktūras, kas izraisa radiācijas bojājumus ķermenim. Tāpēc, strādājot ar jebkuru starojuma avotu, ir jāveic visi pasākumi, lai aizsardzība pret radiāciju cilvēki, kas var būt pakļauti radiācijas iedarbībai.

Taču cilvēks var tikt pakļauts jonizējošajam starojumam sadzīves apstākļos. Radons, inerta, bezkrāsaina radioaktīva gāze, var nopietni apdraudēt cilvēka veselību Kā redzams attēlā redzamajā diagrammā. 9.7.5, radons ir rādija α sabrukšanas produkts, un tā pussabrukšanas periods T = 3,82 dienas. Rādijs ir atrodams nelielos daudzumos augsnē, akmeņos un dažādos veidos būvkonstrukcijas. Neskatoties uz salīdzinoši īso kalpošanas laiku, radona koncentrācija nepārtraukti tiek papildināta jaunu rādija kodolu sabrukšanas dēļ, tāpēc radons var uzkrāties slēgtās telpās. Nokļūstot plaušās, radons izdala α-daļiņas un pārvēršas par poloniju, kas nav ķīmiski inerta viela. Tam seko urāna sērijas radioaktīvo transformāciju ķēde (9.7.5. att.). Saskaņā ar Amerikas Radiācijas drošības un kontroles komisijas datiem, vidusmēra cilvēks saņem 55% jonizējošā starojuma no radona un tikai 11% no radona. medicīniskie pakalpojumi. Kosmisko staru ieguldījums ir aptuveni 8%. Kopējā starojuma deva, ko cilvēks saņem dzīves laikā, ir daudzkārt mazāka maksimālā pieļaujamā deva(SDA), kas ir paredzēts noteiktu profesiju cilvēkiem, kas pakļauti papildu jonizējošā starojuma iedarbībai.

Enerģija E, kas izdalās skaldīšanas laikā, palielinās, palielinoties Z 2 /A. Z 2 /A vērtība = 17 89 Y (itrijs). Tie. skaldīšana ir enerģētiski labvēlīga visiem kodoliem, kas ir smagāki par itriju. Kāpēc lielākā daļa kodolu ir izturīgi pret spontānu skaldīšanu? Lai atbildētu uz šo jautājumu, ir jāapsver sadalīšanas mehānisms.

Sadalīšanās laikā mainās kodola forma. Kodols secīgi iziet cauri šādiem posmiem (7.1. att.): bumba, elipsoīds, hantele, divi bumbierveida fragmenti, divi sfēriski fragmenti. Kā mainās kodola potenciālā enerģija dažādos dalīšanās posmos?
Sākotnējais kodols ar palielinājumu r izpaužas kā arvien iegarenāks revolūcijas elipsoīds. Šajā gadījumā kodola formas evolūcijas dēļ tā potenciālās enerģijas izmaiņas nosaka virsmas un Kulona enerģiju summas izmaiņas E p + E k. Šajā gadījumā virsmas enerģija palielinās jo palielinās kodola virsmas laukums. Kulona enerģija samazinās, palielinoties vidējam attālumam starp protoniem. Ja ar nelielu deformāciju, ko raksturo mazs parametrs , sākotnējais kodols ir aksiāli simetriska elipsoīda formā, virsmas enerģija E" p un Kulona enerģija E" k kā deformācijas parametra funkcijas mainās šādi:

Proporcijās (7,4–7,5) E n un E k ir sākotnējā sfēriski simetriskā kodola virsmas un Kulona enerģijas.
Smago kodolu reģionā 2E n > Ek, un virsmas un Kulona enerģiju summa palielinās, palielinoties . No (7.4) un (7.5) izriet, ka pie nelielām deformācijām virsmas enerģijas pieaugums novērš tālākas kodola formas izmaiņas un līdz ar to arī skaldīšanu.
Attiecība (7.5) ir derīga maziem celmiem . Ja deformācija ir tik liela, ka kodols iegūst hanteles formu, tad virsmai un Kulona spēkiem ir tendence atdalīt kodolu un piešķirt fragmentiem sfērisku formu. Tādējādi, pakāpeniski palielinoties kodola deformācijai, tā potenciālā enerģija iziet cauri maksimumam. Kodola virsmas un Kulona enerģiju diagramma atkarībā no r ir parādīta att. 7.2.

Potenciālas barjeras klātbūtne novērš momentānu spontānu kodola skaldīšanu. Lai kodols sadalītos, tam jādod enerģija Q, kas pārsniedz skaldīšanas barjeras H augstumu. Skaldāmā kodola E + H (piemēram, zelta) maksimālā potenciālā enerģija divos identiskos fragmentos ir ≈ 173 MeV , un skaldīšanas laikā izdalītā enerģija E ir 132 MeV . Tādējādi zelta kodola skaldīšanas laikā ir jāpārvar potenciālā barjera, kuras augstums ir aptuveni 40 MeV.
Jo lielāks ir skaldīšanas barjeras H augstums, jo mazāka ir Kulona un virsmas enerģiju attiecība E pret /E p sākotnējā kodolā. Šī attiecība savukārt palielinās, palielinoties dalījuma parametram Z 2 /A (7.3). Jo smagāks ir kodols, jo mazāks ir skaldīšanas barjeras H augstums, jo skaldīšanas parametrs, pieņemot, ka Z ir proporcionāls A, palielinās, palielinoties masas skaitlim:

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

(7.6)

Tāpēc smagākiem kodoliem parasti ir jāpiegādā mazāk enerģijas, lai izraisītu kodola skaldīšanu.
Sadalīšanās barjeras augstums izzūd pie 2E p – Ec = 0 (7,5). Šajā gadījumā

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

Z 2 /A \u003d 2a 2 / (a 3 Z 2) ≈ 49.

Tādējādi saskaņā ar pilienu modeli kodoli ar Z 2 /A > 49 dabā nevar pastāvēt, jo tiem raksturīgā kodollaikā 10–22 s vajadzētu spontāni sadalīties divos fragmentos gandrīz acumirklī. Potenciālās barjeras H formas un augstuma, kā arī skaldīšanas enerģijas atkarības no parametra Z 2 /A vērtības ir parādītas zīm. 7.3.

Rīsi. 7.3. Potenciālās barjeras formas un augstuma radiālā atkarība un skaldīšanas enerģija E pie dažādām parametra Z 2 /A vērtībām. E p + E k vērtība ir attēlota uz vertikālās ass.

Spontāna kodola skaldīšanās ar 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 gads 232 Th līdz 0,3 s 260 Rf.
Kodola piespiedu skaldīšana ar 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.
Saliktā kodola E* ierosmes enerģijas minimālā vērtība, kas veidojas neitrona uztveršanas laikā, ir vienāda ar neitrona saistīšanas enerģiju šajā kodolā ε n . 7.1. tabulā ir salīdzināts barjeras augstums H un neitronu saistīšanas enerģija ε n Th, U, Pu izotopiem, kas veidojas pēc neitronu uztveršanas. Neitrona saistīšanās enerģija ir atkarīga no neitronu skaita kodolā. Pāra savienošanas enerģijas dēļ pāra neitrona saistīšanas enerģija ir lielāka nekā nepāra neitrona saistīšanās enerģija.

7.1. tabula

Dalīšanās barjeras augstums H, neitronu saistīšanas enerģija ε n

Izotops	Sadalīšanās barjeras augstums H, MeV	Izotops	Neitronu saistīšanas enerģija ε n
232	5.9	233	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

raksturīga iezīme skaldīšana ir tāda, ka fragmentiem mēdz būt dažādas masas. Visticamākās 235 U skaldīšanas gadījumā fragmentu masas attiecība ir vidēji ~1,5. 235 U lieluma skaldīšanas fragmentu masas sadalījums pēc termiskajiem neitroniem parādīts attēlā. 7.4. Visticamākajai skaldīšanai smagajam fragmentam ir masas skaitlis 139, vieglā - 95. Starp skaldīšanas produktiem ir fragmenti ar A = 72 - 161 un Z = 30 - 65. Sadalīšanās varbūtība divos fragmentos vienāda masa nav vienāda ar nulli. Sadalot 235 U ar termiskiem neitroniem, simetriskas skaldīšanas varbūtība ir aptuveni par trim kārtām mazāka nekā visticamākās skaldīšanas gadījumā fragmentos ar A = 139 un 95.
Asimetrisko skaldīšanu izskaidro kodola čaulas struktūra. Kodols mēdz sadalīties tā, ka katra fragmenta nukleonu galvenā daļa veido visstabilāko maģisko kodolu.
Neitronu skaita attiecība pret protonu skaitu kodolā 235 U N/Z = 1,55, savukārt stabili izotopi, kuru masas skaitlis ir tuvu fragmentu masas skaitam, šī attiecība ir 1,25 − 1,45. Līdz ar to skaldīšanās fragmenti izrādās stipri pārslogoti ar neitroniem, un tiem jābūt
β - radioaktīvs. Tāpēc skaldīšanas fragmenti piedzīvo secīgu β - sabrukšanu, un primārā fragmenta lādiņš var mainīties par 4 - 6 vienībām. Zemāk ir raksturīga 97 Kr radioaktīvo sabrukšanas ķēde - viens no fragmentiem, kas izveidojās 235 U skaldīšanas laikā:

Fragmentu ierosme, ko izraisa stabiliem kodoliem raksturīgās protonu un neitronu skaita attiecības pārkāpums, tiek noņemta arī ātras dalīšanās neitronu emisijas dēļ. Šos neitronus izstaro kustīgie fragmenti laikā, kas mazāks par ~ 10-14 s. Vidēji katrā skaldīšanas notikumā tiek emitēti 2–3 tūlītēji neitroni. To enerģijas spektrs ir nepārtraukts ar maksimālo ap 1 MeV. Ātrā neitrona vidējā enerģija ir tuvu 2 MeV. Vairāk nekā viena neitrona emisija katrā skaldīšanas reizē ļauj iegūt enerģiju, izmantojot kodola skaldīšanas ķēdes reakciju.
Visticamākajā 235 U dalīšanās gadījumā ar termiskiem neitroniem viegls fragments (A = 95) iegūst ≈ 100 MeV kinētisko enerģiju, bet smagais (A = 139) - aptuveni 67 MeV. Tādējādi fragmentu kopējā kinētiskā enerģija ir ≈ 167 MeV. Kopējā skaldīšanas enerģija šajā gadījumā ir 200 MeV. Tādējādi atlikušā enerģija (33 MeV) tiek sadalīta starp citiem skaldīšanas produktiem (β neitroni, elektroni un antineitroni - fragmentu sabrukšana, fragmentu γ-starojums un to sabrukšanas produkti). Sadalīšanās enerģijas sadalījums starp dažādiem produktiem 235 U termisko neitronu skaldīšanas laikā ir parādīts 7.2. tabulā.

7.2. tabula

Dalīšanās enerģijas sadale 235 U termiskie neitroni

Kodola dalīšanās produkti (NF) ir vairāk nekā 200 radioaktīvo izotopu, kas sastāv no 36 elementiem (no cinka līdz gadolīnijam), sarežģīts maisījums. Lielāko daļu aktivitātes veido īslaicīgi radionuklīdi. Tādējādi pēc 7, 49 un 343 dienām pēc sprādziena PND aktivitāte samazinās attiecīgi 10, 100 un 1000 reizes, salīdzinot ar aktivitāti stundu pēc sprādziena. Bioloģiski nozīmīgāko radionuklīdu iznākums norādīts 7.3. tabulā. Papildus PND radioaktīvo piesārņojumu izraisa inducētas aktivitātes radionuklīdi (3 H, 14 C, 28 Al, 24 Na, 56 Mn, 59 Fe, 60 Co u.c.) un nedalītā urāna un plutonija daļa. Īpaši liela ir inducētās aktivitātes loma kodoltermisko sprādzienu gadījumā.

7.3. tabula

Dažu dalīšanās produktu izdalīšanās kodolsprādzienā

Radionuklīds	Pus dzīve	Izlaide uz sadalījumu, %	Aktivitāte uz 1 Mt, 10 15 bq
89Sr	50,5 dienas	2.56	590
90 Sr	29.12 gadi	3.5	3.9
95 Zr	65 dienas	5.07	920
103 Ru	41 diena	5.2	1500
106 Ru	365 dienas	2.44	78
131 I	8.05 dienas	2.9	4200
136Cs	13,2 dienas	0.036	32
137Cs	30 gadi	5.57	5.9
140 Ba	12,8 dienas	5.18	4700
141Cs	32,5 dienas	4.58	1600
144Cs	288 dienas	4.69	190
3H	12,3 gadi	0.01	2,6 10 -2

Kodolsprādzienu laikā atmosfērā ievērojama daļa nokrišņu (līdz 50% zemes sprādzienos) nokrīt testēšanas zonas tuvumā. Daļa radioaktīvo vielu tiek aizturēta atmosfēras lejasdaļā un vēja ietekmē pārvietojas lielos attālumos, paliekot aptuveni vienā platuma grādos. Atrodoties gaisā aptuveni mēnesi, radioaktīvās vielas šīs kustības laikā pamazām nokrīt uz Zemi. Lielākā daļa radionuklīdu nonāk stratosfērā (10÷15 km augstumā), kur tie ir globāli izkliedēti un lielā mērā sadalās.
Dažādiem kodolreaktoru konstrukcijas elementiem ir augsta aktivitāte gadu desmitiem (7.4. tabula)

7.4. tabula

Galveno skaldīšanās produktu īpatnējās aktivitātes vērtības (Bq/t urāna) degvielas elementos, kas izņemti no reaktora pēc trīs darbības gadiem

Radionuklīds	0	1 diena	120 dienas	1 gads		10 gadi
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
90 Sr	3. 51· 10 15	3. 51· 10 15	3. 48· 10 15	3. 43· 10 15	3. 26· 10 15	2. 75· 10 15
95 Zr	7. 29· 10 16	7. 21· 10 16	1. 99· 10 16	1. 4· 10 15	5. 14· 10 11
95Nb	7. 23· 10 16	7. 23· 10 16	3. 57· 10 16	3. 03· 10 15	1. 14· 10 12
103 Ru	7. 08· 10 16	6. 95· 10 16	8. 55· 10 15	1. 14· 10 14	2. 97· 10 8
106 Ru	2. 37· 10 16	2. 37· 10 16	1. 89· 10 16	1. 19· 10 16	3. 02· 10 15	2. 46· 10 13
131 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
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
143:00	6. 77· 10 16	6. 70· 10 16	1. 65· 10 14	6. 11· 10 8
147:00	7. 05 10 15	7. 05· 10 15	6. 78· 10 15	5. 68· 10 15	3. 35· 10 14

Urāna kodolu skaldīšanu, tos bombardējot ar neitroniem, 1939. gadā atklāja vācu zinātnieki Otto Hāns un Frics Strasmans.

Otto Hāns (1879-1968)
Vācu fiziķis, novatorisks zinātnieks radioķīmijas jomā. Atklāja urāna, vairāku radioaktīvu elementu, skaldīšanu

Frics Strasmans (1902-1980)
Vācu fiziķis un ķīmiķis. Darbi saistīti ar kodolķīmiju, kodola skaldīšanu. Sniedzis ķīmisku pierādījumu dalīšanās procesam

Apskatīsim šīs parādības mehānismu. 162. attēlā a parasti attēlo urāna atoma kodolu. Absorbējis papildu neitronu, kodols tiek uzbudināts un deformēts, iegūstot iegarenu formu (162. att., b).

Rīsi. 162. Urāna kodola skaldīšanas process tajā iekrituša neitrona ietekmē.

Jūs jau zināt, ka kodolā darbojas divu veidu spēki: elektrostatiskie atgrūšanas spēki starp protoniem, kuriem ir tendence salauzt kodolu, un kodola pievilcības spēki starp visiem nukleoniem, kuru dēļ kodols nesadalās. Bet kodolspēki ir maza darbības rādiusa, tāpēc iegarenā kodolā tie vairs nevar noturēt kodola daļas, kas atrodas ļoti tālu viena no otras. Elektrostatisko atgrūdošo spēku iedarbībā kodols tiek saplēsts divās daļās (162. att., c), kas ar lielu ātrumu izkliedējas dažādos virzienos un izstaro 2-3 neitronus.

Izrādās, ka daļa no kodola iekšējās enerģijas tiek pārvērsta lidojošo fragmentu un daļiņu kinētiskajā enerģijā. Fragmenti vidē ātri palēninās, kā rezultātā to kinētiskā enerģija tiek pārvērsta vides iekšējā enerģijā (t.i., to veidojošo daļiņu mijiedarbības un termiskās kustības enerģijā).

Ar vienlaicīgu liela skaita urāna kodolu skaldīšanu iekšējā enerģija urānu apņemošā vide un attiecīgi tā temperatūra jūtami paaugstinās (t.i., vide uzsilst).

Tādējādi urāna kodolu skaldīšanas reakcija notiek ar enerģijas izdalīšanos iekšā vide.

Atomu kodolos esošā enerģija ir kolosāla. Piemēram, pilnībā sadaloties visiem kodoliem, kas atrodas 1 g urāna, atbrīvotos tāds pats enerģijas daudzums, kāds izdalās 2,5 tonnu naftas sadegšanas laikā. Lai pārvērstu atomu kodolu iekšējo enerģiju elektroenerģijā, atomelektrostacijas izmanto t.s kodola skaldīšanas ķēdes reakcijas.

Apskatīsim urāna izotopa kodola skaldīšanas ķēdes reakcijas mehānismu. Urāna atoma kodols (163. att.) neitrona uztveršanas rezultātā tika sadalīts divās daļās, vienlaikus izstarojot trīs neitronus. Divi no šiem neitroniem izraisīja vēl divu kodolu skaldīšanas reakciju, tādējādi veidojot četrus neitronus. Tie savukārt izraisīja četru kodolu sadalīšanos, pēc kā izveidojās deviņi neitroni utt.

Ķēdes reakcija iespējama tādēļ, ka katra kodola skaldīšanas laikā veidojas 2-3 neitroni, kas var piedalīties citu kodolu skaldīšanā.

163. attēlā parādīta ķēdes reakcijas diagramma, kurā kopējais skaits brīvo neitronu daudzums urāna gabalā ar laiku palielinās kā lavīna. Attiecīgi strauji palielinās kodola skaldīšanas gadījumu skaits un laika vienībā izdalītā enerģija. Tāpēc šāda reakcija ir sprādzienbīstama (tā notiek atombumbā).

Rīsi. 163. Urāna kodolu skaldīšanas ķēdes reakcija

Ir iespējama arī cita iespēja, kurā brīvo neitronu skaits ar laiku samazinās. Šajā gadījumā ķēdes reakcija apstājas. Tāpēc arī šādu reakciju nevar izmantot elektroenerģijas ražošanai.

Mierīgiem nolūkiem ir iespējams izmantot tikai tādas ķēdes reakcijas enerģiju, kurā neitronu skaits laika gaitā nemainās.

Kā nodrošināt, lai neitronu skaits visu laiku paliktu nemainīgs? Lai atrisinātu šo problēmu, jums jāzina, kādi faktori ietekmē kopējā brīvo neitronu skaita palielināšanos un samazināšanos urāna gabalā, kurā notiek ķēdes reakcija.

Viens no šādiem faktoriem ir urāna masa. Lieta tāda, ka ne katrs kodola skaldīšanas laikā izstarotais neitrons izraisa citu kodolu skaldīšanu (sk. 163. att.). Ja urāna gabala masa (un attiecīgi izmērs) ir pārāk maza, tad no tā izlidos daudzi neitroni, kuriem nebūs laika satikties ar kodolu savā ceļā, izraisīt tā skaldīšanu un tādējādi radīt jaunu urāna gabala paaudzi. neitroni, kas nepieciešami reakcijas turpināšanai. Šajā gadījumā ķēdes reakcija apstāsies. Lai reakcija neapstātos, ir jāpalielina urāna masa līdz noteikta vērtība sauca kritisks.

Kāpēc ķēdes reakcija kļūst iespējama, palielinoties masai? Jo lielāka ir gabala masa, jo lielāki ir tā izmēri un garāks ceļš, pa kuru tajā pārvietojas neitroni. Šajā gadījumā palielinās iespējamība, ka neitroni tiksies ar kodoliem. Attiecīgi palielinās kodola skaldīšanas skaits un emitēto neitronu skaits.

Pie urāna kritiskās masas neitronu skaits, kas parādījās kodolu skaldīšanas laikā, kļūst vienāds ar zaudēto neitronu skaitu (ti, kodoli uztver bez skaldīšanas un izlido no gabala).

Tāpēc to kopējais skaits paliek nemainīgs. Šajā gadījumā var notikt ķēdes reakcija ilgu laiku, neapstājoties un neiegūstot sprādzienbīstamu raksturu.

• Mazāko urāna masu, pie kuras iespējama ķēdes reakcija, sauc par kritisko masu.

Ja urāna masa ir lielāka par kritisko, tad, strauji palielinoties brīvo neitronu skaitam, ķēdes reakcija izraisa sprādzienu, un, ja tā ir mazāka par kritisko, tad reakcija nenotiek. brīvo neitronu trūkums.

Neitronu zudumus (kas izlido no urāna, nereaģējot ar kodoliem) iespējams samazināt ne tikai palielinot urāna masu, bet arī izmantojot īpašu atstarojošu apvalku. Lai to izdarītu, urāna gabalu ievieto čaulā, kas izgatavota no vielas, kas labi atstaro neitronus (piemēram, berilija). Atspoguļojot no šī apvalka, neitroni atgriežas urānā un var piedalīties kodola skaldīšanās procesā.

Ir vairāki citi faktori, no kuriem atkarīga ķēdes reakcijas iespējamība. Piemēram, ja urāna gabals satur pārāk daudz citu ķīmisko elementu piemaisījumu, tad tie absorbē lielāko daļu neitronu un reakcija apstājas.

Reakcijas gaitu ietekmē arī tā sauktā neitronu moderatora klātbūtne urānā. Fakts ir tāds, ka urāna-235 kodoli, visticamāk, sadalīsies lēnu neitronu ietekmē. Kodola dalīšanās rada ātrus neitronus. Ja ātri neitroni tiek palēnināti, lielāko daļu no tiem uztvers urāna-235 kodoli ar sekojošu šo kodolu skaldīšanu. Tādas vielas kā grafīts, ūdens, smagais ūdens (kurā ietilpst deitērijs, ūdeņraža izotops ar masas skaitli 2) un dažas citas tiek izmantotas kā regulētāji. Šīs vielas tikai palēnina neitronu darbību, gandrīz tos neuzsūcot.

Tādējādi ķēdes reakcijas iespējamību nosaka urāna masa, tajā esošo piemaisījumu daudzums, čaulas un moderatora klātbūtne un daži citi faktori.

Urāna-235 sfēriska gabala kritiskā masa ir aptuveni 50 kg. Turklāt tā rādiuss ir tikai 9 cm, jo ​​urānam ir ļoti augsts blīvums.

Izmantojot moderatoru un atstarojošo apvalku un samazinot piemaisījumu daudzumu, ir iespējams samazināt urāna kritisko masu līdz 0,8 kg.

Jautājumi

1. Kāpēc kodola skaldīšana var sākties tikai tad, kad tā tiek deformēta absorbētā neitrona ietekmē?
2. Kas veidojas kodola skaldīšanas rezultātā?
3. Kādā enerģijā tā skaldīšanas laikā iziet daļa no kodola iekšējās enerģijas; urāna kodola fragmentu kinētiskā enerģija to palēninājuma laikā vidē?
4. Kā notiek urāna kodolu skaldīšanas reakcija - ar enerģijas izdalīšanos vidē vai, gluži otrādi, ar enerģijas absorbciju?
5. Aprakstiet ķēdes reakcijas mehānismu, izmantojot 163. attēlu.
6. Kāda ir urāna kritiskā masa?
7. Vai ir iespējama ķēdes reakcija, ja urāna masa ir mazāka par kritisko; kritiskāks? Kāpēc?

>> urāna skaldīšana

107. § URĀNA KODOLU šķELŠANA

Tikai dažu smago elementu kodolus var sadalīt daļās. Kodolu dalīšanās laikā tiek izstaroti divi vai trīs neitroni un stari. Tajā pašā laikā tiek atbrīvots daudz enerģijas.

Urāna skaldīšanas atklāšana. Urāna kodolu skaldīšanu 1938. gadā atklāja vācu zinātnieki O. Hāns un F. Štrasmans. Viņi konstatēja, ka, bombardējot urānu ar neitroniem, rodas periodiskās sistēmas vidusdaļas elementi: bārijs, kriptons utt. Tomēr šī fakta pareiza interpretācija tieši kā urāna kodola sadalīšanās, kas notvēra neitronu, tika sniegta pie 1939. gada sākumā angļu fiziķis O. Frišs kopā ar austriešu fiziķi L. Meitneru.

Neitrona uztveršana iznīcina kodola stabilitāti. Kodols ir satraukts un kļūst nestabils, kas noved pie tā sadalīšanās fragmentos. Kodola skaldīšana ir iespējama, jo smagā kodola miera masa ir lielāka par to fragmentu miera masu summu, kas rodas skaldīšanas laikā. Tāpēc notiek enerģijas izdalīšanās, kas līdzvērtīga atlikušās masas samazinājumam, kas pavada skaldīšanu.

Smago kodolu dalīšanās iespējamību var izskaidrot arī, izmantojot īpatnējās saistīšanas enerģijas atkarības grafiku no masas skaitļa A (sk. 13.11. att.). Periodiskajā sistēmā esošo elementu atomu kodolu īpatnējā saistīšanās enerģija pēdējās vietas(A 200), aptuveni par 1 MeV mazāk nekā īpatnējā saistīšanās enerģija elementu kodolos, kas atrodas periodiskās sistēmas vidū (A 100). Tāpēc periodiskās sistēmas vidusdaļā smago kodolu sadalīšanās process elementu kodolos ir enerģētiski labvēlīgs. Pēc skaldīšanas sistēma nonāk stāvoklī ar minimālu iekšējo enerģiju. Galu galā, jo lielāka ir kodola saistīšanas enerģija, jo lielāka enerģija ir jāatbrīvo, kad rodas kodols, un līdz ar to, jo zemāka ir jaunizveidotās sistēmas iekšējā enerģija.

Kodola skaldīšanas laikā saistīšanās enerģija uz vienu nukleonu palielinās par 1 MeV, un kopējai atbrīvotajai enerģijai vajadzētu būt milzīgai - apmēram 200 MeV. Zem neviena cita kodolreakcija(nav saistīts ar skaldīšanu) tik lielas enerģijas netiek atbrīvotas.

Urāna kodola skaldīšanas laikā atbrīvotās enerģijas tiešie mērījumi apstiprināja iepriekš minētos apsvērumus un deva vērtību 200 MeV. Turklāt lielākā daļa šīs enerģijas (168 MeV) krīt uz fragmentu kinētisko enerģiju. 13.13. attēlā redzamas skaldāmā urāna fragmentu pēdas mākoņu kamerā.

Kodola skaldīšanas laikā izdalītajai enerģijai ir elektrostatiska, nevis kodolenerģijas izcelsme. Lielā kinētiskā enerģija, kas piemīt fragmentiem, rodas to Kulona atgrūšanas dēļ.

kodola skaldīšanas mehānisms. Kodola dalīšanās procesu var izskaidrot, pamatojoties uz kodola kritiena modeli. Saskaņā ar šo modeli nukleonu ķekars atgādina uzlādēta šķidruma pilienu (13.14. att., a). Kodolspēki starp nukleoniem ir maza diapazona, tāpat kā spēki, kas darbojas starp šķidruma molekulām. Līdzās spēcīgajiem elektrostatiskās atgrūšanās spēkiem starp protoniem, kas mēdz saplēst kodolu, pastāv vēl lielāki kodola pievilkšanas spēki. Šie spēki neļauj kodolam sadalīties.

Urāna-235 kodols ir sfērisks. Absorbējis papildu neitronu, tas tiek uzbudināts un sāk deformēties, iegūstot iegarenu formu (13.14. att., b). Kodols stiepsies, līdz atgrūdošie spēki starp izstieptā serdeņa pusēm sāks ņemt virsroku pār pievilkšanās spēkiem, kas iedarbojas uz šaurumu (13.14. att., c). Pēc tam to saplēš divās daļās (13.14. att., d).

Kulona atgrūšanas spēku iedarbībā šie fragmenti izlido ar ātrumu, kas vienāds ar 1/30 no gaismas ātruma.

Neitronu emisija skaldīšanas laikā. Kodola skaldīšanas pamatfakts ir divu vai trīs neitronu emisija skaldīšanas laikā. Tas padarīja to iespējamu praktiska izmantošana intranukleārā enerģija.

Ir iespējams saprast, kāpēc tiek emitēti brīvie neitroni, ņemot vērā šādus apsvērumus. Ir zināms, ka neitronu skaita attiecība pret protonu skaitu stabilos kodolos palielinās, palielinoties atomu skaitam. Tāpēc fragmentos, kas rodas skaldīšanas laikā, neitronu relatīvais skaits izrādās lielāks par pieļaujamo atomu kodoliem, kas atrodas periodiskās tabulas vidū. Tā rezultātā skaldīšanas procesā tiek atbrīvoti vairāki neitroni. Viņu enerģija ir dažādas nozīmes- no vairākiem miljoniem elektronvoltu līdz ļoti mazam, tuvu nullei.

Sadalīšanās parasti notiek fragmentos, kuru masas atšķiras aptuveni 1,5 reizes. Šie fragmenti ir ļoti radioaktīvi, jo tajos ir pārmērīgs neitronu daudzums. Secīgu sabrukšanas rezultātā galu galā tiek iegūti stabili izotopi.

Noslēgumā mēs atzīmējam, ka notiek arī urāna kodolu spontāna skaldīšanās. To atklāja padomju fiziķi G. N. Flerovs un K. A. Petržaks 1940. gadā. Spontānas skaldīšanas pussabrukšanas periods ir 10 16 gadi. Tas ir divus miljonus reižu garāks nekā urāna sabrukšanas pussabrukšanas periods.

Kodola skaldīšanas reakciju pavada enerģijas izdalīšanās.

Nodarbības saturs nodarbības kopsavilkums atbalsta rāmis nodarbības prezentācijas akseleratīvas metodes interaktīvās tehnoloģijas Prakse uzdevumi un vingrinājumi pašpārbaudes darbnīcas, apmācības, lietas, uzdevumi mājasdarbi diskusijas jautājumi retoriski jautājumi no studentiem Ilustrācijas audio, video klipi un multivide fotogrāfijas, attēli, grafika, tabulas, shēmas, humors, anekdotes, joki, komiksi līdzības, teicieni, krustvārdu mīklas, citāti Papildinājumi tēzes raksti mikroshēmas zinātkāriem apkrāptu lapas mācību grāmatas pamata un papildu terminu glosārijs cits Mācību grāmatu un stundu pilnveidošanakļūdu labošana mācību grāmatā Inovācijas elementu fragmenta atjaunošana mācību grāmatā mācību stundā novecojušo zināšanu aizstāšana ar jaunām Tikai skolotājiem ideālas nodarbības kalendāra plāns uz gadu vadlīnijas diskusiju programmas Integrētās nodarbības

1934. gadā E. Fermi nolēma iegūt transurāna elementus, apstarojot 238 U ar neitroniem. E. Fermi ideja bija tāda, ka 239 U izotopa β sabrukšanas rezultātā ķīmiskais elements ar atomskaitli Z = 93. Tomēr nebija iespējams identificēt 93. elementa veidošanos. Tā vietā O. Hāna un F. Štrasmana veiktās radioaktīvo elementu radioķīmiskās analīzes rezultātā tika parādīts, ka viens no urāna apstarošanas ar neitroniem produktiem ir bārijs (Z = 56) – ķīmiskais elements ar vidēju atommasu. , savukārt saskaņā ar Fermi teorijas pieņēmumu vajadzēja ražot transurāna elementus.
L. Meitners un O. Frišs ierosināja, ka urāna kodola neitrona uztveršanas rezultātā saliktais kodols sadalās divās daļās.

92 U + n → 56 Ba + 36 Kr + xn.

Urāna skaldīšanas procesu pavada sekundāro neitronu parādīšanās (x > 1), kas var izraisīt citu urāna kodolu skaldīšanu, kas paver iespēju notikt skaldīšanās ķēdes reakcijai - viens neitrons var radīt sazarotu ķēdi. urāna kodolu dalīšanās. Šajā gadījumā atdalīto kodolu skaitam vajadzētu palielināties eksponenciāli. N. Bohr un J. Wheeler aprēķināja kritisko enerģiju, kas nepieciešama, lai 236 U kodols, kas izveidojies neitrona uztveršanas rezultātā ar 235 U izotopu, sadalītos. Šī vērtība ir 6,2 MeV, kas ir mazāka par 236 U izotopa ierosmes enerģiju, kas veidojas termiskā neitrona 235 U uztveršanas laikā. Tāpēc, uztverot termiskos neitronus, ir iespējama 235 U skaldīšanas ķēdes reakcija. Kopējais izotops 238 U, kritiskā enerģija ir 5,9 MeV, savukārt, notverot termisko neitronu, iegūtā 239 U kodola ierosmes enerģija ir tikai 5,2 MeV. Tāpēc dabā visizplatītākā izotopa 238 U skaldīšanas ķēdes reakcija termisko neitronu iedarbībā nav iespējama. Vienā skaldīšanas notikumā tiek atbrīvota enerģija ≈ 200 MeV (salīdzinājumam, ķīmiskās reakcijas sadegšanas rezultātā vienā reakcijas aktā tiek atbrīvota enerģija ≈ 10 eV). Iespēja radīt apstākļus skaldīšanas ķēdes reakcijai pavēra izredzes izmantot ķēdes reakcijas enerģiju atomreaktoru un atomu ieroču radīšanai. Pirmo kodolreaktoru E. Fermi uzbūvēja ASV 1942. gadā. PSRS pirmais kodolreaktors I. Kurčatova vadībā tika iedarbināts 1946. gadā. 1954. gadā Obņinskā sāka darboties pasaulē pirmā atomelektrostacija. Šobrīd elektroenerģiju ražo aptuveni 440 kodolreaktoros 30 pasaules valstīs.
1940. gadā G. Flerovs un K. Petržaks atklāja spontānu urāna skaldīšanu. Sekojošie skaitļi liecina par eksperimenta sarežģītību. Izotopa 238 U daļējais pussabrukšanas periods attiecībā uz spontānu skaldīšanu ir 10 16 – 10 17 gadi, savukārt 238 U izotopa sabrukšanas periods ir 4,5 ∙ 10 9 gadi. Galvenais 238 U izotopa sabrukšanas kanāls ir α-sabrukšana. Lai novērotu izotopa 238 U spontānu skaldīšanu, bija nepieciešams reģistrēt vienu skaldīšanas notikumu uz 10 7 –10 8 α sabrukšanas notikumu fona.
Spontānas dalīšanās iespējamību galvenokārt nosaka skaldīšanas barjeras caurlaidība. Spontānas skaldīšanas varbūtība palielinās, palielinoties kodola lādiņam, kopš. tas palielina dalīšanas parametru Z 2 /A. Z izotopos< 92-95 деление происходит преимущественно с образованием двух осколков деления с отношением масс тяжёлого и лёгкого осколков 3:2. В изотопах Z >100, dominē simetriska skaldīšana, veidojoties vienādas masas fragmentiem. Palielinoties kodola lādiņam, palielinās spontānās dalīšanās īpatsvars salīdzinājumā ar α-sabrukšanu.

Izotops	Pus dzīve	sabrukšanas kanāli
235 U	7.04 10 8 gadi	α (100%), SF (7 10–9%)
238 U	4,47 10 9 gadi	α (100%), SF (5,5 10–5%)
240 Pu	6,56 10 3 gadi	α (100%), SF (5,7 10–6%)
242 Pu	3,75 10 5 gadi	α (100%), SF (5,5 10–4%)
246 cm	4,76 10 3 gadi	α (99,97%), SF (0,03%)
252 sk	2,64 gadi	α (96,91%), SF (3,09%)
254 sal	60,5 gadi	α (0,31%), SF (99,69%)
256 sal	12,3 gadi	α (7,04 10–8%), SF (100%)

Kodola skaldīšana. Stāsts

1934. gads- E. Fermi, apstarojot urānu ar termiskajiem neitroniem, starp reakcijas produktiem atrada radioaktīvus kodolus, kuru raksturu nevarēja noskaidrot.
L. Szilards izvirzīja ideju par kodolķēdes reakciju.

1939. gads− O. Hāns un F. Štrasmans starp reakcijas produktiem atklāja bāriju.
L. Meitners un O. Frišs pirmo reizi paziņoja, ka neitronu iedarbībā urāns sadalījās divos pēc masas salīdzināmos fragmentos.
N. Bohr un J. Wheeler sniedza kvantitatīvu kodola skaldīšanas interpretāciju, ieviešot skaldīšanas parametru.
Ya. Frenkel izstrādāja kritiena teoriju par kodola skaldīšanu ar lēniem neitroniem.
L. Szilards, E. Vīgners, E. Fermi, J. Vīlers, F. Džolio-Kirī, Ja. Zeldovičs, Ju. Haritons pamatoja kodola skaldīšanas ķēdes reakcijas iespējamību urānā.

1940. gads− G. Flerovs un K. Petržaks atklāja U urāna kodolu spontānas skaldīšanas fenomenu.

1942. gads− E. Fermi pirmajā atomreaktorā veica kontrolētu skaldīšanas ķēdes reakciju.

1945. gads− Pirmais kodolieroču izmēģinājums (Nevada, ASV). Atombumbas tika nomestas uz Japānas pilsētām Hirosimu (6. augustā) un Nagasaki (9. augustā).

1946. gads− I.V. vadībā. gadā tika iedarbināts pirmais reaktors Eiropā.

1954. gads− Tika iedarbināta pasaulē pirmā atomelektrostacija (Obņinska, PSRS).

Kodola skaldīšana.Kopš 1934. gada E. Fermi sāka izmantot neitronus atomu bombardēšanai. Kopš tā laika mākslīgās transformācijas rezultātā iegūto stabilo jeb radioaktīvo kodolu skaits ir pieaudzis līdz daudziem simtiem, un gandrīz visas vietas periodiskajā tabulā ir piepildītas ar izotopiem.
Atomi, kas rodas visās šajās kodolreakcijās, ieņēma to pašu vietu periodiskajā tabulā kā bombardētais atoms vai blakus esošās vietas. Tāpēc Hāna un Štrasmana pierādījums 1938. gadā tam, ka neitroni bombardē periodiskās sistēmas pēdējo elementu.−urāns−sadalās elementos, kas atrodas periodiskās sistēmas vidusdaļās. Uzstājas šeit Dažādi sabrukšana. Atomi, kas rodas, lielākoties ir nestabili un nekavējoties sadalās tālāk; dažu pussabrukšanas periodu mēra sekundēs, tāpēc Gan bija jāpiesakās analītiskā metode Kirī, lai paildzinātu tik ātru procesu. Ir svarīgi atzīmēt, ka elementi, kas atrodas urāna priekšā, protaktīnijs un torijs, arī uzrāda līdzīgu sabrukšanu neitronu iedarbībā, lai gan, lai sāktos sabrukšana, ir nepieciešama lielāka neitronu enerģija nekā urāna gadījumā. Līdz ar to 1940. gadā G. N. Flerovs un K. A. Petržaks atklāja spontānu urāna kodola skaldīšanu ar garāko līdz tam zināmo pussabrukšanas periodu: aptuveni 2· 10 15 gadi; šis fakts kļūst skaidrs, pateicoties procesā atbrīvotajiem neitroniem. Tātad bija iespējams saprast, kāpēc "dabiskā" periodiskā sistēma beidzas ar trim nosauktajiem elementiem. Tagad ir zināmi transurāna elementi, taču tie ir tik nestabili, ka ātri sadalās.
Urāna skaldīšana ar neitronu palīdzību tagad ļauj izmantot atomenerģiju, ko daudzi jau ir iztēlojušies kā "Jula Verna sapni".

M. Laue, Fizikas vēsture

1939 O. Hāns un F. Štrasmans, apstarojot urāna sāļus ar termiskiem neitroniem, starp reakcijas produktiem atklāj bāriju (Z = 56)

Otto Gunns (1879 – 1968)

Kodola dalīšanās ir kodola sadalīšanās divos (retāk trīs) kodolos ar līdzīgu masu, ko sauc par dalīšanās fragmentiem. Sadalīšanās laikā rodas arī citas daļiņas - neitroni, elektroni, α-daļiņas. Sadalīšanās rezultātā izdalās ~200 MeV enerģija. Dalīšanās var būt spontāna vai piespiedu kārtā citu daļiņu, visbiežāk neitronu, ietekmē.
Skaldīšanas raksturīga iezīme ir tāda, ka skaldīšanas fragmenti, kā likums, būtiski atšķiras pēc masas, t.i., dominē asimetriskā skaldīšanās. Tādējādi urāna izotopa 236 U visticamākās skaldīšanas gadījumā fragmentu masas attiecība ir 1,46. Smagā fragmenta masas skaitlis ir 139 (ksenons), bet vieglā fragmenta masas skaitlis ir 95 (stroncijs). Ņemot vērā divu tūlītēju neitronu emisiju, aplūkotajai skaldīšanas reakcijai ir forma

Nobela prēmija ķīmijā
1944. gads - O. Gans.
Urāna kodolu dalīšanās reakcijas atklāšanai ar neitronu palīdzību.

Sadalīšanās skaidas

Vieglo un smago fragmentu grupu vidējo masu atkarība no skaldāmā kodola masas.

Kodola skaldīšanas atklāšana. 1939. gads

Es ierados Zviedrijā, kur Līze Meitnere cieta no vientulības, un kā uzticīgs brāļadēls nolēmu viņu apciemot Ziemassvētkos. Viņa dzīvoja mazajā viesnīcā Kungälv netālu no Gēteborgas. Es viņu pieķēru brokastīs. Viņa pārdomāja vēstuli, ko tikko bija saņēmusi no Hanas. Es biju ļoti skeptisks par vēstules saturu, kurā tika ziņots par bārija veidošanos, apstarojot urānu ar neitroniem. Tomēr šī iespēja viņu piesaistīja. Mēs gājām pa sniegu, viņa gāja, es slēpoju (viņa teica, ka var šādi rīkoties, neatpaliekot no manis, un viņa to pierādīja). Pastaigas beigās jau varējām formulēt dažus secinājumus; kodols nesadalījās un no tā nelidoja gabali, bet tas bija process, kas drīzāk atgādināja Bora kodola kritiena modeli; kā piliens, kodols varētu izstiepties un sadalīties. Tad es izpētīju, kā elektriskais lādiņš nukleoni samazina virsmas spraigumu, kas, kā es varēju konstatēt, nokrītas līdz nullei pie Z = 100 un, iespējams, ir ļoti mazs urānam. Lise Meitnere nodarbojās ar enerģijas noteikšanu, kas izdalās katras sabrukšanas laikā masas defekta dēļ. Viņai bija ļoti skaidrs priekšstats par masu defektu līkni. Izrādījās, ka elektrostatiskās atgrūšanās dēļ skaldīšanas elementi iegūtu aptuveni 200 MeV enerģiju, un tas tikai atbilda enerģijai, kas saistīta ar masas defektu. Tāpēc process varētu noritēt tīri klasiski, neiesaistot jēdzienu par iziešanu caur potenciālo barjeru, kas, protams, šeit būtu bezjēdzīgi.
Ziemassvētkos kopā pavadījām divas vai trīs dienas. Tad es atgriezos Kopenhāgenā un tik tikko paguva pastāstīt Boram par mūsu ideju tieši tajā brīdī, kad viņš jau iekāpa tvaikonī uz ASV. Atceros, kā viņš sita pa pieri, tiklīdz es sāku runāt un iesaucās: “Ak, kādi mēs esam muļķi! Mums vajadzēja to pamanīt ātrāk." Bet viņš nepamanīja, un neviens nepamanīja.
Es un Lise Meitner uzrakstījām rakstu. Tajā pašā laikā mēs pastāvīgi sazinājāmies pa tālsatiksmes tālruni Kopenhāgena - Stokholma.

O. Frišs, Atmiņas. UFN. 1968. T. 96, 4. izdevums, lpp. 697.

Spontāna kodola skaldīšanās

Tālāk aprakstītajos eksperimentos mēs izmantojām metodi, ko vispirms ierosināja Frisch, lai reģistrētu kodola skaldīšanas procesus. Jonizācijas kamera ar plāksnēm, kas pārklātas ar urāna oksīda slāni, ir savienota ar lineāro pastiprinātāju, kas noregulēts tā, ka sistēma nereģistrē no urāna emitētās α daļiņas; fragmentu impulsi, kas ir daudz lielāki par impulsiem no α-daļiņām, atbloķē izejas tiratronu un tiek uzskatīti par mehānisku releju.
Jonizācijas kamera tika īpaši izstrādāta daudzslāņu plakana kondensatora veidā ar ar kopējo platību 15 plāksnes 1000 cm.. Plāksnes, kas atrodas 3 mm attālumā viena no otras, tika pārklātas ar urāna oksīda slāni 10-20 mg/cm 2 .
Pašos pirmajos eksperimentos ar pastiprinātāju, kas noregulēts, lai skaitītu fragmentus, uz releja un osciloskopa bija iespējams novērot spontānus (ja nebija neitronu avota) impulsus. Šo impulsu skaits bija neliels (6 uz 1 stundu), un tāpēc ir diezgan saprotams, ka šo parādību nevarēja novērot ar parastā tipa kamerām ...
Mums ir tendence tā domāt efekts, ko mēs novērojam, ir jāattiecina uz urāna spontānas skaldīšanas rezultātā radušos fragmentiem...

Spontāna skaldīšanās būtu attiecināma uz vienu no neuzbudinātiem U izotopiem ar pussabrukšanas periodiem, kas iegūti, novērtējot mūsu rezultātus:

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

Izotopu sabrukšana 238 U

Spontāna kodola skaldīšanās

Spontāni skaldāmo izotopu pussabrukšanas periodi Z = 92 - 100

Pirmā eksperimentālā sistēma ar urāna-grafīta režģi tika uzbūvēta 1941. gadā E. Fermi vadībā. Tas bija grafīta kubs ar 2,5 m garu ribu, kurā atradās apmēram 7 tonnas urāna oksīda, kas bija ievietots dzelzs traukos, kas tika ievietoti kubā vienādos attālumos viens no otra. Urāna-grafīta režģa apakšā tika novietots RaBe neitronu avots. Reizināšanas koeficients šādā sistēmā bija ≈0,7. Urāna oksīds saturēja no 2 līdz 5% piemaisījumu. Turpmākie centieni tika vērsti uz to, lai iegūtu vairāk tīri materiāli un līdz 1942. gada maijam tika iegūts urāna oksīds, kurā piemaisījums bija mazāks par 1%. Lai nodrošinātu skaldīšanas ķēdes reakciju, bija nepieciešams izmantot lielu daudzumu grafīta un urāna - apmēram vairākas tonnas. Piemaisījumiem bija jābūt mazākiem par dažām daļām uz miljonu. Reaktoram, kuru 1942. gada beigās samontēja Fermi Čikāgas universitātē, bija no augšas nogriezta nepilnīga sferoīda forma. Tajā bija 40 tonnas urāna un 385 tonnas grafīta. 1942. gada 2. decembra vakarā pēc neitronu absorbcijas stieņu noņemšanas tika atklāts, ka reaktora iekšienē notiek kodola ķēdes reakcija. Izmērītais koeficients bija 1,0006. Sākotnēji reaktors darbojās ar 0,5 W jaudas līmeni. Līdz 12. decembrim tā jauda tika palielināta līdz 200 vatiem. Pēc tam reaktors tika pārvietots uz vairāk droša vieta, un tā jauda tika palielināta līdz vairākiem kW. Šajā gadījumā reaktors patērēja 0,002 g urāna-235 dienā.

Pirmais kodolreaktors PSRS

Ēka pirmajam PSRS F-1 pētniecības kodolreaktoram bija gatava 1946. gada jūnijā.
Pēc visu nepieciešamo eksperimentu veikšanas tika izstrādāta reaktora vadības un aizsardzības sistēma, noteikti reaktora izmēri, veikti visi nepieciešamie eksperimenti ar reaktoru modeļiem, uz vairākiem modeļiem noteikts neitronu blīvums, iegūti grafīta bloki. (tā sauktā kodoltīrība) un (pēc neitronu fizikālajām pārbaudēm) urāna bloki, 1946. gada novembrī sāka būvēt F-1 reaktoru.
Reaktora kopējais rādiuss bija 3,8 m. Tam bija vajadzīgas 400 tonnas grafīta un 45 tonnas urāna. Reaktors tika montēts slāņos, un 1946. gada 25. decembrī pulksten 15.00 tika montēts pēdējais, 62. slānis. Pēc tā saukto avārijas stieņu izvilkšanas vadības stienis tika pacelts, sāka skaitīt neitronu blīvumu, un 1946. gada 25. decembrī pulksten 18:00 atdzīvojās pirmais PSRS reaktors. Tā bija aizraujoša uzvara zinātniekiem – kodolreaktora radītājiem un viss Padomju cilvēki. Pēc pusotra gada, 1948. gada 10. jūnijā, rūpnieciskais reaktors ar ūdeni kanālos sasniedza kritisko stāvokli un drīz vien sāka jauna veida kodoldegvielas - plutonija - rūpniecisko ražošanu.