เรียกว่าปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิชชัน การแตกตัวของนิวเคลียสยูเรเนียม

ระดับ

บทเรียน #42-43

ปฏิกิริยาลูกโซ่การแตกตัวของนิวเคลียสยูเรเนียม พลังงานนิวเคลียร์และนิเวศวิทยา กัมมันตภาพรังสี. ครึ่งชีวิต.

ปฏิกิริยานิวเคลียร์

ปฏิกิริยานิวเคลียร์เป็นกระบวนการของการมีปฏิสัมพันธ์ นิวเคลียสของอะตอมด้วยแกนอื่นหรือ อนุภาคมูลฐานร่วมกับการเปลี่ยนแปลงในองค์ประกอบและโครงสร้างของนิวเคลียสและการปลดปล่อยอนุภาคทุติยภูมิหรือ γ-quanta

อันเป็นผลมาจากปฏิกิริยานิวเคลียร์ ไอโซโทปกัมมันตภาพรังสีใหม่สามารถเกิดขึ้นได้ซึ่งไม่ได้อยู่บนโลกใน ร่างกาย.

ปฏิกิริยานิวเคลียร์ครั้งแรกดำเนินการโดย E. Rutherford ในปี 1919 ในการทดลองเพื่อตรวจจับโปรตอนในผลิตภัณฑ์สลายตัวของนิวเคลียร์ (ดู § 9.5) รัทเทอร์ฟอร์ดถล่มอะตอมไนโตรเจนด้วยอนุภาคแอลฟา เมื่ออนุภาคชนกัน จะเกิดปฏิกิริยานิวเคลียร์ ซึ่งดำเนินการตามรูปแบบต่อไปนี้:

ในระหว่างปฏิกิริยานิวเคลียร์ หลายตัว กฎหมายอนุรักษ์: โมเมนตัม พลังงาน โมเมนตัมเชิงมุม ประจุ นอกจากกฎการอนุรักษ์แบบคลาสสิกเหล่านี้แล้ว กฎหมายการอนุรักษ์ที่เรียกว่าเป็นจริงในปฏิกิริยานิวเคลียร์ baryon ชาร์จ(นั่นคือจำนวนนิวคลีออน - โปรตอนและนิวตรอน) กฎหมายการอนุรักษ์อื่น ๆ จำนวนหนึ่งเฉพาะสำหรับฟิสิกส์นิวเคลียร์และฟิสิกส์อนุภาคมูลฐานยังมีอยู่

ปฏิกิริยานิวเคลียร์สามารถเกิดขึ้นได้เมื่ออะตอมถูกทิ้งระเบิดด้วยอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าเร็ว (โปรตอน นิวตรอน อนุภาค α และไอออน) ปฏิกิริยาแรกของชนิดนี้ดำเนินการโดยใช้โปรตอนพลังงานสูงที่ได้รับจากเครื่องเร่งอนุภาคในปี 1932:

โดยที่ M A และ M B คือมวลของผลิตภัณฑ์ตั้งต้น MC และ M D คือมวล ผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้ายปฏิกิริยา ค่า ΔM เรียกว่า ข้อบกพร่องของมวล. ปฏิกิริยานิวเคลียร์สามารถเกิดขึ้นได้ด้วยการปลดปล่อย (Q > 0) หรือด้วยการดูดซับพลังงาน (Q< 0). Во втором случае первоначальная кинетическая энергия исходных продуктов должна превышать величину |Q|, которая называется порогом реакции.

เพื่อให้ปฏิกิริยานิวเคลียร์มีผลผลิตพลังงานเป็นบวก พลังงานยึดเหนี่ยวจำเพาะนิวคลีออนในนิวเคลียสของผลิตภัณฑ์เริ่มต้นควรน้อยกว่า พลังงานจำเพาะพันธะของนิวคลีออนในนิวเคลียสของผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้าย ซึ่งหมายความว่า ΔM ต้องเป็นค่าบวก

มีสองวิธีที่แตกต่างกันโดยพื้นฐานในการปล่อยพลังงานนิวเคลียร์

1. ฟิชชันของนิวเคลียสหนัก. ตรงกันข้ามกับการสลายกัมมันตภาพรังสีของนิวเคลียส ที่มาพร้อมกับการปล่อยอนุภาค α- หรือ β-อนุภาค ปฏิกิริยาฟิชชันเป็นกระบวนการที่นิวเคลียสที่ไม่เสถียรถูกแบ่งออกเป็นสองส่วนขนาดใหญ่ที่มีมวลเท่ากัน

ในปี 1939 นักวิทยาศาสตร์ชาวเยอรมัน O. Hahn และ F. Strassmann ได้ค้นพบการแตกตัวของนิวเคลียสของยูเรเนียม ต่อจากการวิจัยโดย Fermi พบว่าเมื่อยูเรเนียมถูกทิ้งระเบิดด้วยนิวตรอน องค์ประกอบของส่วนตรงกลาง ระบบเป็นระยะ– ไอโซโทปกัมมันตภาพรังสีของแบเรียม (Z = 56), คริปทอน (Z = 36) เป็นต้น

ยูเรเนียมเกิดขึ้นในธรรมชาติในรูปของไอโซโทปสองชนิด: (99.3%) และ (0.7%) เมื่อถูกโจมตีด้วยนิวตรอน นิวเคลียสของไอโซโทปทั้งสองสามารถแยกออกเป็นสองส่วน ในกรณีนี้ ปฏิกิริยาฟิชชันจะดำเนินการอย่างเข้มข้นที่สุดด้วยนิวตรอนช้า (ความร้อน) ในขณะที่นิวเคลียสเข้าสู่ปฏิกิริยาฟิชชันด้วยนิวตรอนเร็วที่มีพลังงานเท่ากับ 1 MeV เท่านั้น

ความสนใจหลักสำหรับ พลังงานนิวเคลียร์แสดงถึงปฏิกิริยาฟิชชันของนิวเคลียส ปัจจุบัน มีไอโซโทปที่แตกต่างกันประมาณ 100 ไอโซโทปที่มีเลขมวลตั้งแต่ประมาณ 90 ถึง 145 ซึ่งเกิดจากการแตกตัวของนิวเคลียสนี้ ปฏิกิริยาฟิชชันทั่วไปสองประการของนิวเคลียสนี้มีรูปแบบ:

โปรดทราบว่าเป็นผลมาจากการแตกตัวของนิวเคลียสที่เกิดจากนิวตรอน นิวตรอนใหม่จะถูกสร้างขึ้นซึ่งสามารถทำให้เกิดปฏิกิริยาฟิชชันในนิวเคลียสอื่น ผลิตภัณฑ์จากฟิชชันของนิวเคลียสยูเรเนียม-235 ยังสามารถเป็นไอโซโทปอื่นๆ ของแบเรียม ซีนอน สตรอนเทียม รูบิเดียม เป็นต้น

พลังงานจลน์ที่ปล่อยออกมาในระหว่างการแตกตัวของนิวเคลียสยูเรเนียมหนึ่งนิวเคลียสนั้นมหาศาล - ประมาณ 200 MeV พลังงานที่ปล่อยออกมาในระหว่างการแตกตัวของนิวเคลียร์สามารถประมาณได้โดยใช้ พลังงานยึดเหนี่ยวจำเพาะนิวเคลียสในนิวเคลียส พลังงานยึดเหนี่ยวจำเพาะของนิวเคลียสในนิวเคลียสที่มีมวล A ≈ 240 คือประมาณ 7.6 MeV/นิวคลีออน ขณะที่ในนิวเคลียสที่มีเลขมวล A = 90–145 พลังงานจำเพาะจะเท่ากับ 8.5 MeV/นิวคลีออนโดยประมาณ ดังนั้น ฟิชชันของนิวเคลียสของยูเรเนียมจะปล่อยพลังงานออกมาเป็นลำดับ 0.9 MeV/นิวคลีออน หรือประมาณ 210 MeV ต่ออะตอมของยูเรเนียม ด้วยการแตกตัวของนิวเคลียสทั้งหมดที่มีอยู่ในยูเรเนียม 1 กรัม พลังงานเดียวกันก็จะถูกปลดปล่อยออกมาเช่นเดียวกับระหว่างการเผาไหม้ถ่านหิน 3 ตันหรือน้ำมัน 2.5 ตัน

ผลิตภัณฑ์จากฟิชชันของนิวเคลียสของยูเรเนียมนั้นไม่เสถียร เนื่องจากมีนิวตรอนจำนวนมากเกินไป อันที่จริงอัตราส่วน N / Z สำหรับนิวเคลียสที่หนักที่สุดอยู่ที่ประมาณ 1.6 (รูปที่ 9.6.2) สำหรับนิวเคลียสที่มีเลขมวลตั้งแต่ 90 ถึง 145 อัตราส่วนนี้จะอยู่ที่ประมาณ 1.3–1.4 ดังนั้นนิวเคลียสของแฟรกเมนต์จะมีการสลายตัว β ต่อเนื่องกัน ซึ่งเป็นผลมาจากจำนวนโปรตอนในนิวเคลียสเพิ่มขึ้น และจำนวนของนิวตรอนลดลงจนกว่าจะเกิดนิวเคลียสที่เสถียร

ในการแตกตัวของนิวเคลียสยูเรเนียม-235 ซึ่งเกิดจากการชนกับนิวตรอน จะมีการปล่อยนิวตรอน 2 หรือ 3 ตัว ภายใต้สภาวะที่เอื้ออำนวย นิวตรอนเหล่านี้สามารถชนนิวเคลียสของยูเรเนียมอื่นและทำให้เกิดการแตกตัวได้ ในขั้นตอนนี้จะมีนิวตรอน 4 ถึง 9 ตัวปรากฏขึ้นซึ่งสามารถทำให้เกิดการสลายตัวของนิวเคลียสยูเรเนียมใหม่ ฯลฯ กระบวนการที่เหมือนหิมะถล่มเรียกว่าปฏิกิริยาลูกโซ่ โครงการพัฒนา ปฏิกิริยาลูกโซ่ฟิชชันของนิวเคลียสของยูเรเนียมแสดงในรูปที่ 9.8.1.

รูปที่ 9.8.1 โครงการพัฒนาปฏิกิริยาลูกโซ่

เพื่อให้เกิดปฏิกิริยาลูกโซ่ จำเป็นที่สิ่งที่เรียกว่า ปัจจัยการคูณนิวตรอนมีค่ามากกว่าหนึ่ง กล่าวอีกนัยหนึ่ง ควรมีนิวตรอนในแต่ละรุ่นมากกว่ารุ่นก่อนหน้า ปัจจัยการคูณไม่เพียงแต่กำหนดโดยจำนวนของนิวตรอนที่เกิดขึ้นในแต่ละเหตุการณ์เบื้องต้นเท่านั้น แต่ยังพิจารณาจากสภาวะที่ปฏิกิริยาดำเนินไป - นิวเคลียสบางตัวสามารถดูดซับโดยนิวเคลียสอื่นหรือออกจากเขตปฏิกิริยา นิวตรอนที่ปล่อยออกมาในระหว่างการแตกตัวของนิวเคลียสของยูเรเนียม-235 สามารถทำให้เกิดการแตกตัวของนิวเคลียสของยูเรเนียมเดียวกันเท่านั้น ซึ่งมียูเรเนียมธรรมชาติเพียง 0.7% ความเข้มข้นนี้ไม่เพียงพอที่จะเริ่มปฏิกิริยาลูกโซ่ ไอโซโทปยังสามารถดูดซับนิวตรอนได้ แต่ไม่มีปฏิกิริยาลูกโซ่เกิดขึ้น

ปฏิกิริยาลูกโซ่ในยูเรเนียม เนื้อหาสูงยูเรเนียม-235 สามารถพัฒนาได้ก็ต่อเมื่อมวลของยูเรเนียมเกินกว่าที่เรียกว่า มวลวิกฤตในยูเรเนียมชิ้นเล็ก ๆ นิวตรอนส่วนใหญ่บินออกไปโดยไม่กระทบนิวเคลียส สำหรับยูเรเนียมบริสุทธิ์-235 มวลวิกฤตจะอยู่ที่ประมาณ 50 กก. มวลวิกฤตของยูเรเนียมสามารถลดลงได้หลายครั้งโดยใช้สิ่งที่เรียกว่า ผู้ดูแลนิวตรอน ความจริงก็คือนิวตรอนที่ผลิตขึ้นระหว่างการสลายตัวของนิวเคลียสยูเรเนียมมีความเร็วสูงเกินไป และความน่าจะเป็นที่จะจับนิวตรอนช้าโดยนิวเคลียสยูเรเนียม-235 นั้นมากกว่านิวเคลียสเร็วหลายร้อยเท่า โมเดอเรเตอร์นิวตรอนที่ดีที่สุดคือ น้ำแรง D 2 O. เมื่อทำปฏิกิริยากับนิวตรอน น้ำธรรมดาจะกลายเป็นน้ำที่หนัก

โมเดอเรเตอร์ที่ดีก็คือกราไฟต์ซึ่งนิวเคลียสไม่ดูดซับนิวตรอน เมื่อปฏิสัมพันธ์แบบยืดหยุ่นกับดิวเทอเรียมหรือนิวเคลียสคาร์บอน นิวตรอนจะช้าลงจนถึงความเร็วความร้อน

การใช้ตัวหน่วงนิวตรอนและเปลือกเบริลเลียมพิเศษที่สะท้อนนิวตรอนทำให้สามารถลดมวลวิกฤตเป็น 250 กรัมได้

ในระเบิดปรมาณู ปฏิกิริยาลูกโซ่นิวเคลียร์ที่ไม่สามารถควบคุมได้เกิดขึ้นเมื่อ การเชื่อมต่อที่รวดเร็วยูเรเนียม-235 สองชิ้น ซึ่งแต่ละชิ้นมีมวลต่ำกว่ามวลวิกฤตเล็กน้อย

อุปกรณ์ที่รักษาปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิชชันที่ถูกควบคุมไว้เรียกว่า นิวเคลียร์(หรือ อะตอม) เครื่องปฏิกรณ์. โครงการ เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์บนนิวตรอนช้าจะแสดงในรูปที่ 9.8.2.

รูปที่ 9.8.2 แบบแผนของอุปกรณ์เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์

ปฏิกิริยานิวเคลียร์เกิดขึ้นในแกนเครื่องปฏิกรณ์ซึ่งเต็มไปด้วยตัวหน่วงและเจาะด้วยแท่งที่มีส่วนผสมของไอโซโทปยูเรเนียมเสริมสมรรถนะที่มีปริมาณยูเรเนียม-235 สูง (มากถึง 3%) แกนควบคุมที่มีแคดเมียมหรือโบรอนถูกนำเข้าไปในแกนกลางซึ่งดูดซับนิวตรอนอย่างเข้มข้น การนำแท่งเข้าไปในแกนกลางช่วยให้คุณควบคุมความเร็วของปฏิกิริยาลูกโซ่ได้

แกนกลางระบายความร้อนด้วยสารหล่อเย็นแบบสูบ ซึ่งอาจเป็นน้ำหรือโลหะที่มีจุดหลอมเหลวต่ำ (เช่น โซเดียมซึ่งมีจุดหลอมเหลว 98 °C) ในเครื่องกำเนิดไอน้ำ น้ำหล่อเย็นจะถ่ายเท พลังงานความร้อนน้ำเปลี่ยนเป็นไอน้ำ ความดันสูง. ไอน้ำจะถูกส่งไปยังกังหันที่เชื่อมต่อกับเครื่องกำเนิดไฟฟ้า จากกังหันไอน้ำเข้าสู่คอนเดนเซอร์ เพื่อหลีกเลี่ยงการรั่วไหลของรังสี วงจรของสารหล่อเย็น I และเครื่องกำเนิดไอน้ำ II จะทำงานในรอบปิด

กังหันของโรงไฟฟ้านิวเคลียร์เป็นเครื่องยนต์ความร้อนที่กำหนดประสิทธิภาพโดยรวมของโรงงานตามกฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์ สำหรับโรงไฟฟ้านิวเคลียร์สมัยใหม่มีประสิทธิภาพใกล้เคียงกัน ดังนั้นสำหรับการผลิต 1,000 MW พลังงานไฟฟ้าพลังงานความร้อนของเครื่องปฏิกรณ์ควรสูงถึง 3000 MW 2,000 เมกะวัตต์จะต้องดำเนินการโดยใช้น้ำหล่อเย็นคอนเดนเซอร์ สิ่งนี้นำไปสู่ความร้อนสูงเกินไปของแหล่งน้ำธรรมชาติในท้องถิ่นและปัญหาสิ่งแวดล้อมที่ตามมา

แต่, ปัญหาหลักประกอบด้วยการสร้างความมั่นใจในความปลอดภัยทางรังสีอย่างสมบูรณ์ของผู้คนที่ทำงานในโรงไฟฟ้านิวเคลียร์และป้องกันการปล่อยสารกัมมันตภาพรังสีโดยไม่ได้ตั้งใจที่สะสมในปริมาณมากในแกนเครื่องปฏิกรณ์ ปัญหานี้ได้รับความสนใจอย่างมากในการพัฒนาเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ อย่างไรก็ตาม หลังจากเกิดอุบัติเหตุที่โรงไฟฟ้านิวเคลียร์บางแห่ง โดยเฉพาะอย่างยิ่งที่โรงไฟฟ้านิวเคลียร์ในรัฐเพนซิลเวเนีย (สหรัฐอเมริกา, 1979) และที่โรงไฟฟ้านิวเคลียร์เชอร์โนบิล (1986) ปัญหาด้านความปลอดภัยของพลังงานนิวเคลียร์ก็รุนแรงขึ้นเป็นพิเศษ

นอกจากเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ที่อธิบายข้างต้นที่ทำงานบนนิวตรอนช้าแล้ว เครื่องปฏิกรณ์ที่ทำงานโดยไม่มีตัวกลั่นกรองในนิวตรอนเร็วยังเป็นที่สนใจในทางปฏิบัติอย่างมาก เชื้อเพลิงนิวเคลียร์เป็นส่วนผสมที่ได้รับการเสริมสมรรถนะซึ่งมีไอโซโทปอย่างน้อย 15% ข้อดีของเครื่องปฏิกรณ์นิวตรอนแบบเร็วคือในระหว่างการทำงาน นิวเคลียสของยูเรเนียม-238 ซึ่งดูดซับนิวตรอนผ่านการสลายตัว β สองครั้งติดต่อกันจะถูกแปลงเป็นพลูโทเนียม นิวเคลียสซึ่งสามารถใช้เป็นเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ได้:

อัตราส่วนการผสมพันธุ์ของเครื่องปฏิกรณ์ดังกล่าวถึง 1.5 นั่นคือสำหรับยูเรเนียม-235 1 กิโลกรัมจะได้รับพลูโทเนียมมากถึง 1.5 กิโลกรัม เครื่องปฏิกรณ์แบบทั่วไปยังผลิตพลูโทเนียมแต่ในปริมาณที่น้อยกว่ามาก

เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์เครื่องแรกถูกสร้างขึ้นในปี 1942 ในสหรัฐอเมริกาภายใต้การนำของ E. Fermi ในประเทศของเรา เครื่องปฏิกรณ์เครื่องแรกถูกสร้างขึ้นในปี 1946 ภายใต้การนำของ IV Kurchatov

2. ปฏิกิริยาเทอร์โมนิวเคลียร์. วิธีที่สองในการปล่อยพลังงานนิวเคลียร์เกี่ยวข้องกับปฏิกิริยาฟิวชัน ในระหว่างการหลอมรวมของนิวเคลียสของแสงและการก่อตัวของนิวเคลียสใหม่ จำนวนมากของพลังงาน. เห็นได้จากพลังงานยึดเหนี่ยวจำเพาะต่อมวล A (รูปที่ 9.6.1) จนถึงนิวเคลียสที่มีจำนวนมวลประมาณ 60 พลังงานการจับจำเพาะของนิวคลีออนจะเพิ่มขึ้นตามการเพิ่มขึ้นของ A ดังนั้น การสังเคราะห์นิวเคลียสใดๆ ที่มี A< 60 из более легких ядер должен сопровождаться выделением энергии. Общая масса продуктов реакции синтеза будет в этом случае меньше массы первоначальных частиц.

ปฏิกิริยาฟิวชั่นของนิวเคลียสของแสงเรียกว่า ปฏิกิริยาเทอร์โมนิวเคลียร์เนื่องจากสามารถไหลได้ที่อุณหภูมิสูงมากเท่านั้น เพื่อให้นิวเคลียสสองนิวเคลียสเข้าสู่ปฏิกิริยาฟิวชัน นิวเคลียสต้องเข้าใกล้ระยะห่างของการกระทำของแรงนิวเคลียร์ในระดับ 2·10 -15 ม. เพื่อเอาชนะแรงผลักไฟฟ้าของประจุบวก สำหรับสิ่งนี้ พลังงานจลน์เฉลี่ย การเคลื่อนที่ด้วยความร้อนโมเลกุลจะต้องเกินพลังงานศักย์ของปฏิกิริยาคูลอมบ์ การคำนวณอุณหภูมิที่ต้องการ T สำหรับสิ่งนี้นำไปสู่ค่าของคำสั่ง 10 8 –10 9 K ซึ่งเป็นอุณหภูมิที่สูงมาก ที่อุณหภูมินี้ สารอยู่ในสถานะไอออไนซ์เต็มที่ เรียกว่า พลาสม่า.

พลังงานที่ปล่อยออกมาในปฏิกิริยาเทอร์โมนิวเคลียร์ต่อนิวคลีออนนั้นสูงกว่าพลังงานจำเพาะที่ปล่อยออกมาในปฏิกิริยาลูกโซ่ของการแตกตัวของนิวเคลียร์หลายเท่า ตัวอย่างเช่น ในปฏิกิริยาฟิวชันของนิวเคลียสดิวเทอเรียมและทริเทียม

3.5 MeV/นิวคลีออนถูกปล่อยออกมา โดยรวมแล้ว 17.6 MeV ถูกปล่อยออกมาในปฏิกิริยานี้ นี่เป็นหนึ่งในปฏิกิริยาเทอร์โมนิวเคลียร์ที่มีแนวโน้มมากที่สุด

การดำเนินการ ควบคุมปฏิกิริยาเทอร์โมนิวเคลียร์จะทำให้มนุษยชาติมีแหล่งพลังงานใหม่ที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมและแทบจะไม่มีวันหมดสิ้น อย่างไรก็ตาม การได้รับอุณหภูมิที่สูงเป็นพิเศษและการรักษาพลาสมาให้ร้อนถึงหนึ่งพันล้านองศาเป็นงานทางวิทยาศาสตร์และทางเทคนิคที่ยากที่สุดในการดำเนินการควบคุมเทอร์โมนิวเคลียร์ฟิวชัน

บน เวทีนี้พัฒนาวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีเท่านั้น ปฏิกิริยาฟิวชันที่ไม่สามารถควบคุมได้ในระเบิดไฮโดรเจน อุณหภูมิสูงที่จำเป็นสำหรับการหลอมนิวเคลียร์ทำได้โดยการระเบิดยูเรเนียมธรรมดาหรือระเบิดพลูโทเนียม

ปฏิกิริยาเทอร์โมนิวเคลียร์มีบทบาทสำคัญในการวิวัฒนาการของจักรวาล พลังงานรังสีของดวงอาทิตย์และดวงดาวมีต้นกำเนิดจากความร้อนนิวเคลียร์

กัมมันตภาพรังสี

เกือบ 90% ของนิวเคลียสอะตอมที่รู้จัก 2500 ตัวนั้นไม่เสถียร นิวเคลียสที่ไม่เสถียรจะแปรสภาพไปเป็นนิวเคลียสอื่นโดยธรรมชาติด้วยการปล่อยอนุภาค คุณสมบัติของนิวเคลียสนี้เรียกว่า กัมมันตภาพรังสี. สำหรับนิวเคลียสขนาดใหญ่ ความไม่เสถียรเกิดขึ้นเนื่องจากการแข่งขันระหว่างแรงดึงดูดของนิวคลีออนโดยแรงนิวเคลียร์และการขับไล่โปรตอนของคูลอมบ์ ไม่มีนิวเคลียสที่เสถียรซึ่งมีประจุ Z > 83 และมวล A > 209 แต่นิวเคลียสของอะตอมที่มีเลข Z และ A ต่ำกว่ามากก็สามารถกลายเป็นกัมมันตภาพรังสีได้ หากนิวเคลียสมีโปรตอนมากกว่านิวตรอนมาก แสดงว่าความไม่เสถียรเกิดขึ้น ด้วยพลังงานปฏิสัมพันธ์ของคูลอมบ์ที่มากเกินไป นิวเคลียสซึ่งมีนิวตรอนจำนวนมากเกินจำนวนโปรตอนนั้นไม่เสถียรเนื่องจากข้อเท็จจริงที่ว่ามวลของนิวตรอนมีมากกว่ามวลของโปรตอน การเพิ่มมวลของนิวเคลียสทำให้พลังงานเพิ่มขึ้น

ปรากฏการณ์กัมมันตภาพรังสีถูกค้นพบในปี พ.ศ. 2439 โดยนักฟิสิกส์ชาวฝรั่งเศส เอ. เบคเคอเรล ผู้ค้นพบว่าเกลือยูเรเนียมปล่อยรังสีที่ไม่รู้จักซึ่งสามารถทะลุผ่านสิ่งกีดขวางที่ทึบแสงต่อแสงและทำให้อิมัลชันถ่ายภาพกลายเป็นสีดำได้ อีกสองปีต่อมานักฟิสิกส์ชาวฝรั่งเศส M. และ P. Curie ได้ค้นพบกัมมันตภาพรังสีของทอเรียมและค้นพบธาตุกัมมันตภาพรังสีใหม่สองชนิด - พอโลเนียมและเรเดียม

ในปีถัดมา นักฟิสิกส์หลายคน รวมทั้งอี. รัทเทอร์ฟอร์ดและนักเรียนของเขา มีส่วนร่วมในการศึกษาธรรมชาติของรังสีกัมมันตภาพรังสี พบว่านิวเคลียสกัมมันตภาพรังสีสามารถปล่อยอนุภาคออกเป็นสามประเภท: มีประจุบวกและลบและเป็นกลาง รังสีทั้งสามประเภทนี้เรียกว่าการแผ่รังสี α-, β- และ γ ในรูป 9.7.1 แสดงโครงร่างของการทดลอง ซึ่งทำให้สามารถตรวจจับองค์ประกอบที่ซับซ้อนของรังสีกัมมันตภาพรังสีได้ ในสนามแม่เหล็ก รังสี α- และ β จะเบี่ยงเบนไปในทิศทางตรงกันข้าม และรังสี β จะเบี่ยงเบนมากกว่ามาก รังสีแกมมาในสนามแม่เหล็กไม่เบี่ยงเบนเลย

รังสีกัมมันตภาพรังสีทั้งสามประเภทนี้แตกต่างกันอย่างมากในด้านความสามารถในการแตกตัวเป็นไอออนของอะตอมของสสารและด้วยเหตุนี้ด้วยพลังการทะลุทะลวง การแผ่รังสี α มีพลังทะลุทะลวงน้อยที่สุด ในอากาศ ภายใต้สภาวะปกติ รังสี α จะเดินทางเป็นระยะทางหลายเซนติเมตร รังสี β ถูกดูดกลืนโดยสสารน้อยกว่ามาก พวกเขาสามารถทะลุผ่านชั้นของอลูมิเนียมที่มีความหนาหลายมิลลิเมตร รังสีแกมมีกำลังแทรกซึมสูงสุด สามารถทะลุผ่านชั้นของตะกั่วที่มีความหนา 5-10 ซม.

ในทศวรรษที่สองของศตวรรษที่ 20 ภายหลังการค้นพบโดย E. Rutherford โครงสร้างนิวเคลียร์อะตอม เป็นที่ยอมรับอย่างแน่วแน่ว่ากัมมันตภาพรังสีคือ คุณสมบัติของนิวเคลียสอะตอม. จากการศึกษาพบว่ารังสี α เป็นตัวแทนของกระแสของอนุภาค α - นิวเคลียสฮีเลียม รังสี β เป็นกระแสของอิเล็กตรอน รังสีแกมแสดงเป็นคลื่นสั้น รังสีแม่เหล็กไฟฟ้ามีความยาวคลื่นสั้นมาก λ< 10 –10 м и вследствие этого – ярко выраженными корпускулярными свойствами, то есть является потоком частиц – γ-квантов.

การสลายตัวของอัลฟ่า. การสลายตัวของอัลฟ่าคือการเปลี่ยนแปลงที่เกิดขึ้นเองของนิวเคลียสอะตอมด้วยจำนวนโปรตอน Z และนิวตรอน N ไปเป็นนิวเคลียสอื่น (ลูกสาว) ที่มีจำนวนโปรตอน Z - 2 และนิวตรอน N - 2 ในกรณีนี้อนุภาคαจะถูกปล่อยออกมา - นิวเคลียสของอะตอมฮีเลียม ตัวอย่างของกระบวนการดังกล่าวคือการสลายตัวของเรเดียม α:

อนุภาคแอลฟาที่ปล่อยออกมาจากนิวเคลียสของอะตอมเรเดียมถูกใช้โดย Rutherford ในการทดลองเกี่ยวกับการกระเจิงโดยนิวเคลียสของธาตุหนัก ความเร็วของอนุภาค α ที่ปล่อยออกมาระหว่างการสลายตัว α ของเรเดียมนิวเคลียส ซึ่งวัดตามความโค้งของวิถีโคจรในสนามแม่เหล็ก มีค่าประมาณ 1.5 10 7 m/s และพลังงานจลน์ที่สอดคล้องกันจะอยู่ที่ประมาณ 7.5 10 -13 J (ประมาณ 4.8 MeV) ค่านี้สามารถกำหนดได้ง่ายจาก ค่าที่รู้จักมวลของนิวเคลียสแม่และลูกสาวและนิวเคลียสฮีเลียม แม้ว่าความเร็วของอนุภาค α ที่พุ่งออกมาจะมีขนาดใหญ่ แต่ก็ยังมีความเร็วเพียง 5% ของความเร็วแสง ดังนั้นการคำนวณจึงสามารถใช้นิพจน์ที่ไม่สัมพันธ์กันสำหรับพลังงานจลน์

การศึกษาพบว่าสารกัมมันตภาพรังสีสามารถปล่อยอนุภาค α ด้วยค่าพลังงานที่ไม่ต่อเนื่องหลายค่า สิ่งนี้อธิบายได้จากข้อเท็จจริงที่ว่านิวเคลียสสามารถอยู่ในสถานะตื่นเต้นต่างๆ ได้เหมือนกับอะตอม นิวเคลียสของลูกสาวสามารถอยู่ในสถานะตื่นเต้นอย่างใดอย่างหนึ่งเหล่านี้ได้ระหว่างการสลายตัวของ α ในช่วงการเปลี่ยนผ่านของนิวเคลียสนี้ไปสู่สถานะพื้นดินในภายหลัง γ-ควอนตัมจะถูกปล่อยออกมา แผนภาพการสลายตัวของเรเดียมด้วยการปล่อยอนุภาคαที่มีค่าพลังงานจลน์สองค่าดังแสดงในรูปที่ 9.7.2.

ดังนั้น การสลายตัวของ α ของนิวเคลียสในหลายกรณีจึงเกิดขึ้นพร้อมกับการแผ่รังสี γ

ในทฤษฎีการสลายตัวของ α สันนิษฐานว่ากลุ่มที่ประกอบด้วยโปรตอนสองตัวและนิวตรอนสองตัว นั่นคือ อนุภาค α สามารถก่อตัวขึ้นภายในนิวเคลียส นิวเคลียสต้นกำเนิดมีไว้สำหรับอนุภาคα หลุมที่อาจเกิดขึ้นซึ่งมีจำนวนจำกัด อุปสรรคที่อาจเกิดขึ้น. พลังงานของอนุภาค α ในนิวเคลียสไม่เพียงพอที่จะเอาชนะสิ่งกีดขวางนี้ (รูปที่ 9.7.3) การขับอนุภาค α ออกจากนิวเคลียสเป็นไปได้เฉพาะเนื่องจากปรากฏการณ์ทางกลของควอนตัมที่เรียกว่า เอฟเฟกต์อุโมงค์. ตาม กลศาสตร์ควอนตัม, มีความน่าจะเป็นที่ไม่เป็นศูนย์ที่อนุภาคจะผ่านไปภายใต้สิ่งกีดขวางที่อาจเกิดขึ้น ปรากฏการณ์ของการขุดอุโมงค์มีลักษณะน่าจะเป็น

การสลายตัวของเบต้าในการสลายตัวแบบเบตา อิเล็กตรอนจะถูกปล่อยออกมาจากนิวเคลียส ภายในนิวเคลียส อิเล็กตรอนไม่สามารถมีอยู่ได้ (ดู§ 9.5) พวกมันเกิดขึ้นระหว่างการสลายตัว β อันเป็นผลมาจากการเปลี่ยนแปลงของนิวตรอนเป็นโปรตอน กระบวนการนี้สามารถเกิดขึ้นได้ไม่เฉพาะภายในนิวเคลียสเท่านั้น แต่ยังมีนิวตรอนอิสระด้วย อายุขัยเฉลี่ยของนิวตรอนอิสระคือประมาณ 15 นาที เมื่อนิวตรอนสลายตัวเป็นโปรตอนและอิเล็กตรอน

การวัดแสดงให้เห็นว่าในกระบวนการนี้มีการละเมิดกฎการอนุรักษ์พลังงานอย่างเห็นได้ชัด เนื่องจากพลังงานทั้งหมดของโปรตอนและอิเล็กตรอนที่เกิดจากการสลายตัวของนิวตรอนนั้นน้อยกว่าพลังงานของนิวตรอน ในปี 1931 W. Pauli แนะนำว่าในระหว่างการสลายตัวของนิวตรอน อนุภาคอีกตัวหนึ่งจะถูกปลดปล่อยออกมาโดยมีมวลและประจุเป็นศูนย์ ซึ่งจะดึงพลังงานบางส่วนออกไป อนุภาคใหม่มีชื่อว่า นิวตริโน(นิวตรอนขนาดเล็ก). เนื่องจากไม่มีประจุและมวลในนิวตริโน อนุภาคนี้มีปฏิสัมพันธ์กับอะตอมของสสารน้อยมาก ดังนั้นจึงเป็นเรื่องยากมากที่จะตรวจพบมันในการทดลอง ความสามารถในการแตกตัวเป็นไอออนของนิวตริโนนั้นเล็กมากจนการกระทำหนึ่งของการแตกตัวเป็นไอออนในอากาศตกลงบนเส้นทางประมาณ 500 กม. อนุภาคนี้ถูกค้นพบในปี พ.ศ. 2496 เท่านั้น ปัจจุบันทราบกันว่านิวตริโนมีหลายประเภท ในกระบวนการสลายนิวตรอน อนุภาคจะถูกสร้างขึ้นซึ่งเรียกว่า antineutrino อิเล็กทรอนิกส์. มันเขียนแทนด้วยสัญลักษณ์ ดังนั้นปฏิกิริยาการสลายตัวของนิวตรอนจึงเขียนเป็น

กระบวนการที่คล้ายคลึงกันยังเกิดขึ้นภายในนิวเคลียสระหว่างการสลายตัวของβ- อิเล็กตรอนที่เกิดขึ้นจากการสลายตัวของนิวตรอนนิวเคลียร์ตัวใดตัวหนึ่งจะถูกขับออกจาก "บ้านแม่" (นิวเคลียส) ทันทีด้วยความเร็วมหาศาล ซึ่งอาจแตกต่างจากความเร็วของแสงเพียงเศษเสี้ยวของเปอร์เซ็นต์ เนื่องจากการกระจายของพลังงานที่ปล่อยออกมาระหว่างการสลายตัว β ระหว่างอิเล็กตรอน นิวตริโนและนิวเคลียสของลูกสาวจึงเป็นแบบสุ่ม อิเล็กตรอน β จึงสามารถมีความเร็วต่างกันในช่วงกว้าง

ใน β-สลาย หมายเลขค่าใช้จ่าย Z เพิ่มขึ้นหนึ่งในขณะที่จำนวนมวล A ยังคงไม่เปลี่ยนแปลง นิวเคลียสของลูกสาวกลายเป็นนิวเคลียสของหนึ่งในไอโซโทปของธาตุนั้น หมายเลขซีเรียลซึ่งในตารางธาตุจะสูงกว่าเลขลำดับของนิวเคลียสเดิมหนึ่งหมายเลข ตัวอย่างทั่วไปการสลายตัวของ β สามารถทำหน้าที่เป็นการเปลี่ยนแปลงของไอโซโตนของทอเรียมที่เกิดจากการสลายตัวของ α ของยูเรเนียมเป็นแพลเลเดียม

การสลายตัวของแกมมา. กัมมันตภาพรังสี γ ของนิวเคลียสไม่เหมือนกับ α- และ β-radioactivity ไม่เกี่ยวข้องกับการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างภายในของนิวเคลียส และไม่มีการเปลี่ยนแปลงในจำนวนประจุหรือมวล ในทั้ง α- และ β-decay นิวเคลียสของลูกสาวสามารถอยู่ในสถานะตื่นเต้นและมีพลังงานมากเกินไป การเปลี่ยนแปลงของนิวเคลียสจากสถานะตื่นเต้นไปเป็นสถานะพื้นดินนั้นมาพร้อมกับการปล่อยก๊าซควอนตาหนึ่งหรือหลายตัวซึ่งพลังงานสามารถเข้าถึง MeV ได้หลายตัว

กฎการสลายตัวของกัมมันตภาพรังสี. ตัวอย่างวัสดุกัมมันตภาพรังสีมีอะตอมกัมมันตภาพรังสีจำนวนมาก เนื่องจากการสลายตัวของกัมมันตภาพรังสีเป็นแบบสุ่มและไม่ขึ้นกับ สภาพภายนอกจากนั้นกฎการลดลงในจำนวน N(t) ของ undecay k ช่วงเวลาปัจจุบันเวลา เสื้อ ของนิวเคลียสสามารถใช้เป็นลักษณะทางสถิติที่สำคัญของกระบวนการสลายกัมมันตภาพรังสี

ให้จำนวนนิวเคลียสที่ยังไม่สลาย N(t) เปลี่ยนแปลงโดย ΔN ในช่วงเวลาสั้นๆ Δt< 0. Так как вероятность распада каждого ядра неизменна во времени, что число распадов будет пропорционально количеству ядер N(t) и промежутку времени Δt:

สัมประสิทธิ์สัดส่วน λ คือความน่าจะเป็นของการสลายตัวของนิวเคลียสในเวลา Δt = 1 s สูตรนี้หมายความว่าอัตราการเปลี่ยนแปลงของฟังก์ชัน N(t) เป็นสัดส่วนโดยตรงกับฟังก์ชันเอง

โดยที่ N 0 คือจำนวนเริ่มต้นของนิวเคลียสกัมมันตภาพรังสีที่ t = 0 ในช่วงเวลา τ = 1 / λ จำนวนนิวเคลียสที่ไม่สลายจะลดลง e ≈ 2.7 เท่า ค่า τ เรียกว่า อายุขัยเฉลี่ยนิวเคลียสกัมมันตภาพรังสี

สำหรับการใช้งานจริง จะสะดวกที่จะเขียนกฎการสลายกัมมันตภาพรังสีในรูปแบบต่างๆ โดยใช้เลข 2 เป็นฐาน ไม่ใช่ e:

ค่าของ T เรียกว่า ครึ่งชีวิต. ในช่วงเวลา T ครึ่งหนึ่งของจำนวนนิวเคลียสกัมมันตภาพรังสีเริ่มต้นจะสลายตัว ค่าของ T และ τ สัมพันธ์กันโดยความสัมพันธ์

ครึ่งชีวิตเป็นปริมาณหลักที่กำหนดอัตราการสลายตัวของกัมมันตภาพรังสี ครึ่งชีวิตที่สั้นลง การสลายตัวจะรุนแรงขึ้น ดังนั้น สำหรับยูเรเนียม T ≈ 4.5 พันล้านปี และสำหรับเรเดียม T ≈ 1600 ปี ดังนั้นกิจกรรมของเรเดียมจึงสูงกว่ายูเรเนียมมาก มีธาตุกัมมันตรังสีที่มีครึ่งชีวิตในเสี้ยววินาที

ไม่พบในสภาพธรรมชาติ และจบลงด้วยบิสมัท การสลายตัวของกัมมันตภาพรังสีชุดนี้เกิดขึ้นใน เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์.

แอปพลิเคชั่นที่น่าสนใจกัมมันตภาพรังสีเป็นวิธีการหาอายุของการค้นพบทางโบราณคดีและธรณีวิทยาโดยความเข้มข้นของไอโซโทปกัมมันตภาพรังสี วิธีที่ใช้บ่อยที่สุดคือการหาคู่เรดิโอคาร์บอน ไอโซโทปคาร์บอนที่ไม่เสถียรเกิดขึ้นในชั้นบรรยากาศเนื่องจากปฏิกิริยานิวเคลียร์ที่เกิดจากรังสีคอสมิก ไอโซโทปนี้พบในอากาศเพียงเล็กน้อยพร้อมกับไอโซโทปที่เสถียรตามปกติ พืชและสิ่งมีชีวิตอื่น ๆ กินคาร์บอนจากอากาศและสะสมไอโซโทปทั้งสองในสัดส่วนเดียวกันกับที่ทำในอากาศ หลังจากที่พืชตาย พวกมันก็หยุดกินคาร์บอน และเป็นผลมาจากการสลายตัวของ β ไอโซโทปที่ไม่เสถียรจะค่อยๆ เปลี่ยนเป็นไนโตรเจนด้วยครึ่งชีวิต 5730 ปี ทาง การวัดที่แม่นยำความเข้มข้นสัมพัทธ์ของคาร์บอนกัมมันตภาพรังสีในซากของสิ่งมีชีวิตโบราณสามารถกำหนดเวลาตายได้

รังสีกัมมันตภาพรังสีทุกชนิด (อัลฟา เบต้า แกมมา นิวตรอน) รวมทั้งรังสีแม่เหล็กไฟฟ้า ( เอกซเรย์) มีผลทางชีวภาพที่รุนแรงมากต่อสิ่งมีชีวิต ซึ่งประกอบด้วยกระบวนการกระตุ้นและการแตกตัวเป็นไอออนของอะตอมและโมเลกุลที่ประกอบเป็นเซลล์ที่มีชีวิต ภายใต้การกระทำของรังสีไอออไนซ์ โมเลกุลที่ซับซ้อนและโครงสร้างเซลล์จะถูกทำลาย ซึ่งนำไปสู่ความเสียหายจากรังสีต่อร่างกาย ดังนั้นเมื่อทำงานกับแหล่งกำเนิดรังสีใด ๆ จึงจำเป็นต้องใช้มาตรการทั้งหมดเพื่อ ป้องกันรังสีผู้ที่อาจได้รับรังสี

อย่างไรก็ตามบุคคลสามารถสัมผัสกับรังสีไอออไนซ์ในสภาพบ้านได้ เรดอน ก๊าซกัมมันตภาพรังสีเฉื่อย ไม่มีสี สามารถก่อให้เกิดอันตรายร้ายแรงต่อสุขภาพของมนุษย์ ดังจะเห็นได้จากแผนภาพที่แสดงในรูปที่ 9.7.5 เรดอนเป็นผลคูณของการสลายตัวของเรเดียม α และมีครึ่งชีวิต T = 3.82 วัน เรเดียมพบได้ในปริมาณเล็กน้อยในดิน หิน และอื่นๆ โครงสร้างอาคาร. แม้จะมีอายุขัยค่อนข้างสั้น ความเข้มข้นของเรดอนก็ถูกเติมเต็มอย่างต่อเนื่องเนื่องจากการสลายใหม่ของนิวเคลียสเรเดียม ดังนั้นเรดอนจึงสามารถสะสมในพื้นที่ปิดได้ เมื่อเข้าไปในปอด เรดอนจะปล่อยอนุภาค α และกลายเป็นพอโลเนียม ซึ่งไม่ใช่สารเฉื่อยทางเคมี ตามด้วยการเปลี่ยนแปลงของกัมมันตภาพรังสีของชุดยูเรเนียม (รูปที่ 9.7.5) จากข้อมูลของคณะกรรมาธิการความปลอดภัยและการควบคุมรังสีแห่งอเมริกา บุคคลทั่วไปจะได้รับรังสีไอออไนซ์จากเรดอน 55% และมีเพียง 11% จาก บริการทางการแพทย์. การมีส่วนร่วมของรังสีคอสมิกประมาณ 8% ปริมาณรังสีทั้งหมดที่บุคคลได้รับในช่วงชีวิตนั้นน้อยกว่าหลายเท่า ปริมาณสูงสุดที่อนุญาต(SDA) ซึ่งจัดตั้งขึ้นสำหรับคนในวิชาชีพบางประเภทที่ต้องสัมผัสกับรังสีไอออไนซ์เพิ่มเติม

พลังงาน E ที่ปล่อยออกมาระหว่างการแยกตัวจะเพิ่มขึ้นตาม Z 2 /A ที่เพิ่มขึ้น ค่าของ Z 2 /A = 17 สำหรับ 89 Y (อิตเทรียม) เหล่านั้น. ฟิชชันนั้นเอื้ออำนวยต่อนิวเคลียสทั้งหมดที่หนักกว่าอิตเทรียม เหตุใดนิวเคลียสส่วนใหญ่จึงทนต่อการแตกตัวที่เกิดขึ้นเองได้ ในการตอบคำถามนี้ จำเป็นต้องพิจารณาถึงกลไกของการแบ่งแยก

ในระหว่างการแตกตัว รูปร่างของนิวเคลียสจะเปลี่ยนไป นิวเคลียสจะผ่านขั้นตอนต่อไปนี้ตามลำดับ (รูปที่ 7.1): ลูกบอล, ทรงรี, ดัมเบล, ชิ้นส่วนรูปลูกแพร์สองชิ้น, ชิ้นส่วนทรงกลมสองชิ้น พลังงานศักย์ของนิวเคลียสเปลี่ยนแปลงในระยะต่างๆ ของการแตกตัวอย่างไร
แกนเริ่มต้นพร้อมกำลังขยาย rใช้รูปแบบของการปฏิวัติที่ยาวขึ้นเรื่อย ๆ ในกรณีนี้เนื่องจากวิวัฒนาการของรูปร่างของนิวเคลียสการเปลี่ยนแปลงของพลังงานศักย์จะถูกกำหนดโดยการเปลี่ยนแปลงในผลรวมของพื้นผิวและพลังงานคูลอมบ์ E p + E k ในกรณีนี้พลังงานพื้นผิวจะเพิ่มขึ้น เนื่องจากพื้นที่ผิวของนิวเคลียสเพิ่มขึ้น พลังงานคูลอมบ์ลดลงเมื่อระยะห่างเฉลี่ยระหว่างโปรตอนเพิ่มขึ้น หากมีการเสียรูปเล็กน้อยโดยมีพารามิเตอร์ขนาดเล็ก แกนเริ่มต้นจะอยู่ในรูปของทรงรีสมมาตรตามแนวแกน พลังงานพื้นผิว E" p และพลังงานคูลอมบ์ E" k เป็นฟังก์ชันของพารามิเตอร์การเปลี่ยนรูปดังนี้:

ในอัตราส่วน (7.4–7.5) อี n และ อี k คือพื้นผิวและพลังงานคูลอมบ์ของนิวเคลียสสมมาตรทรงกลมเริ่มต้น
ในพื้นที่ของนิวเคลียสหนัก 2E n > Ek และผลรวมของพื้นผิวและพลังงานคูลอมบ์เพิ่มขึ้นตามการเพิ่มขึ้น ตามมาจาก (7.4) และ (7.5) ที่การเสียรูปเล็กๆ น้อยๆ การเพิ่มขึ้นของพลังงานพื้นผิวจะป้องกันการเปลี่ยนแปลงรูปร่างของนิวเคลียสเพิ่มเติม และด้วยเหตุนี้ การเกิดฟิชชัน
ความสัมพันธ์ (7.5) ใช้ได้กับสายพันธุ์เล็ก หากการเสียรูปมากจนนิวเคลียสอยู่ในรูปดัมเบลล์ พื้นผิวและแรงคูลอมบ์มักจะแยกนิวเคลียสและทำให้ชิ้นส่วนนั้นมีรูปร่างเป็นทรงกลม ดังนั้นด้วยการเพิ่มขึ้นทีละน้อยในการเปลี่ยนรูปของนิวเคลียส พลังงานศักย์ของมันจะไหลผ่านสูงสุด แผนภาพของพื้นผิวและพลังงานคูลอมบ์ของนิวเคลียสตามฟังก์ชันของ r แสดงในรูปที่ 7.2.

การมีอยู่ของสิ่งกีดขวางที่อาจเกิดขึ้นช่วยป้องกันการแตกตัวของนิวเคลียร์ที่เกิดขึ้นเองในทันที เพื่อให้นิวเคลียสแตกตัว จะต้องได้รับพลังงาน Q ที่เกินความสูงของอุปสรรคฟิชชัน H พลังงานศักย์สูงสุดของนิวเคลียสฟิชไซล์ E + H (เช่น ทอง) ออกเป็นสองส่วนเหมือนกันคือ ≈ 173 MeV และพลังงาน E ที่ปล่อยออกมาในระหว่างการแยกตัวคือ 132 MeV ดังนั้น ในระหว่างการแตกตัวของนิวเคลียสทองคำ จึงจำเป็นต้องเอาชนะสิ่งกีดขวางที่อาจเกิดขึ้นด้วยความสูงประมาณ 40 MeV
ความสูงของอุปสรรคฟิชชัน H ยิ่งสูง ยิ่งอัตราส่วนของคูลอมบ์และพลังงานพื้นผิว E ต่อ /E p น้อยกว่าในนิวเคลียสเริ่มต้น ในทางกลับกันอัตราส่วนนี้จะเพิ่มขึ้นตามการเพิ่มขึ้นของพารามิเตอร์การแบ่ง Z 2 /A (7.3) นิวเคลียสที่หนักกว่า ความสูงของอุปสรรคฟิชชัน H จะยิ่งต่ำลง เนื่องจากพารามิเตอร์ฟิชชัน ภายใต้สมมติฐานที่ว่า Z เป็นสัดส่วนกับ A จะเพิ่มขึ้นตามจำนวนมวลที่เพิ่มขึ้น:

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

(7.6)

ดังนั้น โดยทั่วไปแล้วนิวเคลียสที่หนักกว่าจะต้องได้รับพลังงานน้อยกว่าเพื่อทำให้เกิดการแตกตัวของนิวเคลียร์
ความสูงของอุปสรรคฟิชชันจะหายไปที่ 2E p – Ec = 0 (7.5) ในกรณีนี้

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

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

ดังนั้น ตามแบบจำลองการตก นิวเคลียสที่มี Z 2 /A > 49 ไม่สามารถดำรงอยู่ในธรรมชาติได้ เนื่องจากพวกมันควรแยกออกเป็นสองส่วนอย่างเป็นธรรมชาติเกือบจะในทันทีในช่วงเวลานิวเคลียร์ที่มีลักษณะเฉพาะของลำดับที่ 10–22 วินาที การขึ้นต่อกันของรูปร่างและความสูงของสิ่งกีดขวางที่อาจเกิดขึ้น H เช่นเดียวกับพลังงานฟิชชันตามค่าของพารามิเตอร์ Z 2 /A จะแสดงในรูปที่ 7.3.

ข้าว. 7.3. การพึ่งพารัศมีของรูปร่างและความสูงของสิ่งกีดขวางที่อาจเกิดขึ้นและพลังงานฟิชชัน E ที่ค่าต่างๆ ของพารามิเตอร์ Z 2 /A ค่าของ E p + E k ถูกพล็อตบนแกนตั้ง

ปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิชชันที่เกิดขึ้นเองกับ 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 ปีสำหรับ 232 Th ถึง 0.3 s สำหรับ 260 Rf
บังคับนิวเคลียร์ฟิชชันด้วย 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.
ค่าต่ำสุดของพลังงานกระตุ้นของนิวเคลียสของสารประกอบ E* ที่เกิดขึ้นระหว่างการจับนิวตรอนจะเท่ากับพลังงานการจับของนิวตรอนในนิวเคลียสนี้ ε n . ตารางที่ 7.1 เปรียบเทียบความสูงของอุปสรรค H และพลังงานการจับนิวตรอน ε n สำหรับไอโซโทปของ Th, U, Pu ที่เกิดขึ้นหลังจากการจับนิวตรอน พลังงานยึดเหนี่ยวของนิวตรอนขึ้นอยู่กับจำนวนของนิวตรอนในนิวเคลียส เนื่องจากพลังงานที่จับคู่กับนิวตรอน พลังงานยึดเหนี่ยวของนิวตรอนคู่จึงมากกว่าพลังงานยึดเหนี่ยวของนิวตรอนคี่

ตาราง 7.1

ความสูงของสิ่งกีดขวางฟิชชัน H พลังงานจับนิวตรอนε n

ไอโซโทป	ความสูงของอุปสรรคฟิชชัน H, MeV	ไอโซโทป	พลังงานจับนิวตรอน ε n
232ธ	5.9	233ธ	4.79
233 ยู	5.5	234 ยู	6.84
235 ยู	5.75	236 ยู	6.55
238 ยู	5.85	239 อู๋	4.80
239 ปู	5.5	240 ปู	6.53

ลักษณะเฉพาะฟิชชันคือเศษที่มักจะมีมวลต่างกัน ในกรณีของการแยกตัวที่น่าจะเป็นไปได้มากที่สุดที่ 235 U อัตราส่วนมวลของแฟรกเมนต์อยู่ที่ประมาณ 1.5 โดยเฉลี่ย การกระจายมวลของชิ้นส่วนฟิชชัน 235 U โดยนิวตรอนความร้อนแสดงในรูปที่ 7.4. สำหรับฟิชชันที่น่าจะเป็นไปได้มากที่สุด ชิ้นส่วนหนักมีจำนวนมวล 139 หนึ่งเบา - 95 ในบรรดาผลิตภัณฑ์จากฟิชชันมีชิ้นส่วนที่มี A = 72 - 161 และ Z = 30 - 65 ความน่าจะเป็นของการแยกตัวออกเป็นสองส่วนคือ มวลเท่ากันไม่เท่ากับศูนย์ ในการแตกตัวของ 235 U โดยนิวตรอนความร้อน ความน่าจะเป็นของการแยกตัวแบบสมมาตรจะอยู่ที่ประมาณสามอันดับของขนาดที่ต่ำกว่าในกรณีของการแยกตัวที่น่าจะเป็นมากที่สุดออกเป็นชิ้นส่วนที่มีค่า A = 139 และ 95
การแยกตัวแบบอสมมาตรอธิบายโดยโครงสร้างเปลือกของนิวเคลียส นิวเคลียสมีแนวโน้มที่จะแยกออกในลักษณะที่ส่วนหลักของนิวคลีออนของแต่ละส่วนทำให้เกิดแกนเวทย์มนตร์ที่เสถียรที่สุด
อัตราส่วนของจำนวนนิวตรอนต่อจำนวนโปรตอนในนิวเคลียส 235 U N/Z = 1.55 ในขณะที่ ไอโซโทปที่เสถียรซึ่งมีเลขมวลใกล้กับเลขมวลของเศษส่วน อัตราส่วนนี้คือ 1.25 − 1.45 ดังนั้น ฟิชชันแฟรกเมนต์จึงมีนิวตรอนมากเกินไป และจะต้อง
β - กัมมันตภาพรังสี ดังนั้นชิ้นส่วนฟิชชันจะมีการสลายตัว β ต่อเนื่อง และประจุของชิ้นส่วนหลักสามารถเปลี่ยนแปลงได้ 4 - 6 หน่วย ด้านล่างนี้เป็นลักษณะเฉพาะของการสลายกัมมันตภาพรังสี 97 Kr - หนึ่งในชิ้นส่วนที่เกิดขึ้นระหว่างการแยกตัวของ 235 U:

การกระตุ้นของชิ้นส่วนที่เกิดจากการละเมิดอัตราส่วนของจำนวนโปรตอนและนิวตรอนซึ่งเป็นลักษณะของนิวเคลียสที่เสถียรก็จะถูกลบออกเช่นกันเนื่องจากการปลดปล่อยนิวตรอนที่แตกตัวอย่างรวดเร็ว นิวตรอนเหล่านี้ถูกปล่อยออกมาจากชิ้นส่วนที่เคลื่อนที่ในเวลาน้อยกว่า ~ 10 -14 วินาที โดยเฉลี่ยแล้ว นิวตรอนพร้อมต์ 2 - 3 ตัวจะถูกปล่อยออกมาในแต่ละเหตุการณ์ฟิชชัน สเปกตรัมพลังงานของพวกเขามีความต่อเนื่องสูงสุดประมาณ 1 MeV พลังงานเฉลี่ยของนิวตรอนพร้อมต์อยู่ใกล้ 2 MeV การปล่อยนิวตรอนมากกว่าหนึ่งนิวตรอนในแต่ละเหตุการณ์ฟิชชันทำให้สามารถรับพลังงานผ่านปฏิกิริยาลูกโซ่นิวเคลียร์ฟิชชันได้
ในการแตกตัวที่เป็นไปได้มากที่สุดที่ 235 U โดยนิวตรอนความร้อน ชิ้นส่วนของแสง (A = 95) จะได้รับพลังงานจลน์ที่ ≈ 100 MeV และส่วนที่หนัก (A = 139) จะได้ค่าประมาณ 67 MeV ดังนั้นพลังงานจลน์ทั้งหมดของชิ้นส่วนคือ ≈ 167 MeV พลังงานฟิชชันรวมในกรณีนี้คือ 200 MeV ดังนั้นพลังงานที่เหลือ (33 MeV) จึงถูกกระจายไปในผลิตภัณฑ์ฟิชชันอื่นๆ (นิวตรอน อิเล็กตรอน และแอนตินิวตริโนของ β - การสลายตัวของชิ้นส่วน การแผ่รังสี γ ของชิ้นส่วนและผลิตภัณฑ์จากการสลายของพวกมัน) การกระจายพลังงานฟิชชันระหว่างผลิตภัณฑ์ต่างๆ ในระหว่างการแตกตัวที่ 235 U โดยนิวตรอนความร้อนแสดงไว้ในตารางที่ 7.2

ตาราง 7.2

การกระจายพลังงานฟิชชัน 235 U นิวตรอนความร้อน

ผลิตภัณฑ์นิวเคลียร์ฟิชชัน (NFs) เป็นส่วนผสมที่ซับซ้อนของไอโซโทปกัมมันตภาพรังสีมากกว่า 200 ไอโซโทปจาก 36 องค์ประกอบ (ตั้งแต่สังกะสีจนถึงแกโดลิเนียม) กิจกรรมส่วนใหญ่ประกอบด้วยนิวไคลด์กัมมันตภาพรังสีอายุสั้น ดังนั้น หลังจาก 7, 49 และ 343 วันหลังจากการระเบิด กิจกรรมของ PND จะลดลง 10, 100 และ 1,000 ครั้งตามลำดับ เมื่อเทียบกับกิจกรรมหนึ่งชั่วโมงหลังการระเบิด ผลผลิตของนิวไคลด์กัมมันตรังสีที่มีนัยสำคัญทางชีวภาพมากที่สุดแสดงไว้ในตารางที่ 7.3 นอกจาก PND แล้ว การปนเปื้อนของกัมมันตภาพรังสียังเกิดจากนิวไคลด์กัมมันตภาพรังสีของกิจกรรมที่เหนี่ยวนำ (3 H, 14 C, 28 Al, 24 Na, 56 Mn, 59 Fe, 60 Co เป็นต้น) และส่วนที่ไม่มีการแบ่งแยกของยูเรเนียมและพลูโทเนียม บทบาทของกิจกรรมเหนี่ยวนำในการระเบิดแสนสาหัสนั้นยอดเยี่ยมมาก

ตาราง 7.3

การปล่อยผลิตภัณฑ์ฟิชชันบางส่วนในการระเบิดนิวเคลียร์

สารกัมมันตรังสี	ครึ่งชีวิต	ผลผลิตต่อแผนก%	กิจกรรมต่อ 1 Mt, 10 15 Bq
89Sr	50.5 วัน	2.56	590
90Sr	อายุ 29.12 ปี	3.5	3.9
95 Zr	65 วัน	5.07	920
103 รู	41 วัน	5.2	1500
106 รู	365 วัน	2.44	78
131 ฉัน	8.05 วัน	2.9	4200
136Cs	13.2 วัน	0.036	32
137Cs	30 ปี	5.57	5.9
140 บาท	12.8 วัน	5.18	4700
141Cs	32.5 วัน	4.58	1600
144Cs	288 วัน	4.69	190
3H	อายุ 12.3 ปี	0.01	2.6 10 -2

ระหว่างการระเบิดของนิวเคลียร์ในชั้นบรรยากาศ ปริมาณฝนที่สำคัญ (มากถึง 50% ในการระเบิดภาคพื้นดิน) จะตกลงมาใกล้กับพื้นที่ทดสอบ สารกัมมันตภาพรังสีบางส่วนยังคงอยู่ในส่วนล่างของบรรยากาศ และภายใต้อิทธิพลของลม จะเคลื่อนที่เป็นระยะทางไกล โดยคงอยู่ที่ละติจูดเดียวกันโดยประมาณ เมื่ออยู่ในอากาศเป็นเวลาประมาณหนึ่งเดือน สารกัมมันตภาพรังสีในระหว่างการเคลื่อนไหวนี้จะค่อยๆ ตกลงสู่พื้นโลก นิวไคลด์กัมมันตภาพรังสีส่วนใหญ่จะถูกปล่อยสู่สตราโตสเฟียร์ (สูงถึง 10 ÷ 15 กม.) ซึ่งกระจายไปทั่วโลกและสลายตัวเป็นส่วนใหญ่
องค์ประกอบต่างๆ ของการออกแบบเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์มีกิจกรรมสูงเป็นเวลาหลายทศวรรษ (ตารางที่ 7.4)

ตาราง 7.4

ค่ากิจกรรมจำเพาะ (Bq/t ยูเรเนียม) ของผลิตภัณฑ์ฟิชชันหลักในองค์ประกอบเชื้อเพลิงที่นำออกจากเครื่องปฏิกรณ์หลังจากใช้งานสามปี

สารกัมมันตรังสี	0	1 วัน	120 วัน	1 ปี		10 ปี
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
95Nb	7. 23· 10 16	7. 23· 10 16	3. 57· 10 16	3. 03· 10 15	1. 14· 10 12
103 รู	7. 08· 10 16	6. 95· 10 16	8. 55· 10 15	1. 14· 10 14	2. 97· 10 8
106 รู	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 ฉัน	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 บาท	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 เซ	7. 36· 10 16	7. 25· 10 16	5. 73· 10 15	3. 08· 10 13	5. 33· 10 6
144 เซ	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 น	6. 77· 10 16	6. 70· 10 16	1. 65· 10 14	6. 11· 10 8
147 น	7. 05 10 15	7. 05· 10 15	6. 78· 10 15	5. 68· 10 15	3. 35· 10 14

การแตกตัวของนิวเคลียสของยูเรเนียมโดยการทิ้งระเบิดด้วยนิวตรอนนั้นถูกค้นพบในปี 1939 โดยนักวิทยาศาสตร์ชาวเยอรมัน Otto Hahn และ Fritz Strassmann

อ็อตโต ฮาห์น (2422-2511)
นักฟิสิกส์ชาวเยอรมัน นักวิทยาศาสตร์ผู้บุกเบิกด้านเคมีวิทยุ ค้นพบการแตกตัวของยูเรเนียมซึ่งเป็นธาตุกัมมันตภาพรังสีจำนวนหนึ่ง

ฟริตซ์ สตราสมันน์ (2445-2523)
นักฟิสิกส์และนักเคมีชาวเยอรมัน งานที่เกี่ยวข้องกับเคมีนิวเคลียร์ นิวเคลียร์ฟิชชัน ให้การพิสูจน์ทางเคมีต่อกระบวนการฟิชชัน

ลองพิจารณากลไกของปรากฏการณ์นี้ รูปที่ 162 ตามอัตภาพแสดงนิวเคลียสของอะตอมยูเรเนียม เมื่อดูดซับนิวตรอนส่วนเกิน นิวเคลียสจะตื่นเต้นและเสียรูปจนได้รูปร่างที่ยาวขึ้น (รูปที่ 162, b)

ข้าว. 162. กระบวนการแตกตัวของนิวเคลียสยูเรเนียมภายใต้อิทธิพลของนิวตรอนที่ตกลงไปในนั้น

คุณรู้อยู่แล้วว่าแรงสองประเภทกระทำในนิวเคลียส: แรงผลักไฟฟ้าสถิตระหว่างโปรตอน ซึ่งมีแนวโน้มที่จะทำลายนิวเคลียส และแรงดึงดูดทางนิวเคลียร์ระหว่างนิวคลีออนทั้งหมด เนื่องจากนิวเคลียสไม่สลายตัว แต่แรงนิวเคลียร์เป็นระยะสั้น ดังนั้น ในนิวเคลียสที่ยืดออก พวกมันไม่สามารถยึดส่วนต่าง ๆ ของนิวเคลียสที่อยู่ห่างไกลจากกันอีกต่อไป ภายใต้การกระทำของแรงผลักไฟฟ้าสถิต นิวเคลียสจะถูกฉีกออกเป็นสองส่วน (รูปที่ 162, c) ซึ่งกระจายไปในทิศทางต่างๆ ด้วยความเร็วสูงและปล่อย 2-3 นิวตรอน

ปรากฎว่าส่วนหนึ่งของพลังงานภายในของนิวเคลียสถูกแปลงเป็นพลังงานจลน์ของชิ้นส่วนและอนุภาคที่บินได้ ชิ้นส่วนต่างๆ จะชะลอตัวลงอย่างรวดเร็วในสิ่งแวดล้อม อันเป็นผลมาจากการที่พลังงานจลน์ของพวกมันถูกแปลงเป็นพลังงานภายในของตัวกลาง (กล่าวคือ เป็นพลังงานของการโต้ตอบและการเคลื่อนที่ด้วยความร้อนของอนุภาคที่เป็นส่วนประกอบ)

ด้วยการแตกตัวพร้อมกันของนิวเคลียสยูเรเนียมจำนวนมาก กำลังภายในสภาพแวดล้อมโดยรอบยูเรเนียมและด้วยเหตุนี้ อุณหภูมิของยูเรเนียมจึงเพิ่มขึ้นอย่างเห็นได้ชัด (กล่าวคือ สิ่งแวดล้อมร้อนขึ้น)

ดังนั้นปฏิกิริยาฟิชชันของนิวเคลียสของยูเรเนียมจึงเกิดขึ้นพร้อมกับการปลดปล่อยพลังงานใน สิ่งแวดล้อม.

พลังงานที่มีอยู่ในนิวเคลียสของอะตอมนั้นมหาศาล ตัวอย่างเช่น เมื่อนิวเคลียสทั้งหมดแตกตัวในยูเรเนียม 1 กรัม พลังงานจำนวนเท่ากันจะถูกปลดปล่อยออกมาในขณะที่มีการเผาไหม้น้ำมัน 2.5 ตัน ในการแปลงพลังงานภายในของนิวเคลียสของอะตอมให้เป็นพลังงานไฟฟ้า โรงไฟฟ้านิวเคลียร์ใช้สิ่งที่เรียกว่า ปฏิกิริยาลูกโซ่นิวเคลียร์ฟิชชัน.

ให้เราพิจารณากลไกของปฏิกิริยาลูกโซ่ของการแตกตัวของนิวเคลียร์ของไอโซโทปยูเรเนียม นิวเคลียสของอะตอมยูเรเนียม (รูปที่ 163) อันเป็นผลมาจากการจับนิวตรอนถูกแบ่งออกเป็นสองส่วนในขณะที่ปล่อยนิวตรอนสามตัว สองนิวตรอนเหล่านี้ทำให้เกิดปฏิกิริยาฟิชชันของนิวเคลียสอีก 2 นิวเคลียส ทำให้เกิดนิวตรอนสี่ตัว ในทางกลับกันทำให้เกิดฟิชชันของนิวเคลียสสี่นิวเคลียสหลังจากนั้นจึงเกิดนิวตรอนเก้าตัวเป็นต้น

ปฏิกิริยาลูกโซ่เป็นไปได้เนื่องจากข้อเท็จจริงที่ว่าในระหว่างการแตกตัวของนิวเคลียสแต่ละนิวเคลียสจะเกิด 2-3 นิวตรอน ซึ่งสามารถมีส่วนร่วมในการแตกตัวของนิวเคลียสอื่น

รูปที่ 163 แสดงไดอะแกรมปฏิกิริยาลูกโซ่ซึ่ง จำนวนทั้งหมดนิวตรอนอิสระในชิ้นส่วนของยูเรเนียมจะเพิ่มขึ้นเหมือนหิมะถล่มตามเวลา ตามลำดับ จำนวนนิวเคลียร์ฟิชชันและพลังงานที่ปล่อยออกมาต่อหน่วยเวลาเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว ดังนั้นปฏิกิริยาดังกล่าวจึงระเบิดได้ (เกิดขึ้นในระเบิดปรมาณู)

ข้าว. 163. ปฏิกิริยาลูกโซ่ของการแตกตัวของนิวเคลียสยูเรเนียม

อีกทางเลือกหนึ่งเป็นไปได้ ซึ่งจำนวนนิวตรอนอิสระลดลงตามเวลา ในกรณีนี้ ปฏิกิริยาลูกโซ่จะหยุดลง ดังนั้นจึงไม่สามารถใช้ปฏิกิริยาดังกล่าวเพื่อผลิตกระแสไฟฟ้าได้เช่นกัน

เพื่อจุดประสงค์ที่สงบสุข เป็นไปได้ที่จะใช้พลังงานจากปฏิกิริยาลูกโซ่เท่านั้น ซึ่งจำนวนนิวตรอนไม่เปลี่ยนแปลงตลอดเวลา

จะแน่ใจได้อย่างไรว่าจำนวนนิวตรอนคงที่ตลอดเวลา? ในการแก้ปัญหานี้ คุณจำเป็นต้องรู้ว่าปัจจัยใดบ้างที่ส่งผลต่อการเพิ่มขึ้นและลดลงของจำนวนนิวตรอนอิสระทั้งหมดในชิ้นส่วนของยูเรเนียมที่เกิดปฏิกิริยาลูกโซ่

ปัจจัยหนึ่งคือมวลของยูเรเนียม ความจริงก็คือไม่ใช่ว่าทุกนิวตรอนที่ปล่อยออกมาในระหว่างการแตกตัวของนิวเคลียสทำให้เกิดการแตกตัวของนิวเคลียสอื่น (ดูรูปที่ 163) ถ้ามวล (และขนาดตามนั้น) ของยูเรเนียมมีขนาดเล็กเกินไป นิวตรอนจำนวนมากจะบินออกมาโดยไม่มีเวลาไปพบกับนิวเคลียสระหว่างทาง ทำให้เกิดการแตกตัวของยูเรเนียม ทำให้เกิดนิวตรอนรุ่นใหม่ของ นิวตรอนที่จำเป็นต่อการทำปฏิกิริยาต่อไป ในกรณีนี้ ปฏิกิริยาลูกโซ่จะหยุดลง เพื่อไม่ให้ปฏิกิริยาหยุดลง จำเป็นต้องเพิ่มมวลของยูเรเนียมเป็น ค่าบางอย่างเรียกว่า วิกฤต.

เหตุใดปฏิกิริยาลูกโซ่จึงเกิดขึ้นได้เมื่อมีมวลเพิ่มขึ้น ยิ่งมวลของชิ้นส่วนมีขนาดใหญ่เท่าใด ขนาดของชิ้นส่วนก็จะใหญ่ขึ้นเท่านั้น และเส้นทางที่นิวตรอนจะเดินทางเข้าไปก็จะยิ่งยาวขึ้น ในกรณีนี้ ความน่าจะเป็นที่นิวตรอนจะพบกับนิวเคลียสจะเพิ่มขึ้น ดังนั้นจำนวนนิวเคลียร์ฟิชชันและจำนวนนิวตรอนที่ปล่อยออกมาจึงเพิ่มขึ้น

ที่มวลวิกฤตของยูเรเนียม จำนวนของนิวตรอนที่ปรากฏในระหว่างการแตกตัวของนิวเคลียสจะเท่ากับจำนวนของนิวตรอนที่สูญเสียไป (กล่าวคือ ถูกจับโดยนิวเคลียสโดยไม่มีการแตกตัวและหลุดออกจากชิ้นส่วน)

ดังนั้นจำนวนทั้งหมดจึงไม่เปลี่ยนแปลง ในกรณีนี้ ปฏิกิริยาลูกโซ่อาจเกิดขึ้นได้ เวลานานโดยไม่ต้องหยุดและไม่ได้รับตัวละครที่ระเบิดได้

• มวลที่เล็กที่สุดของยูเรเนียมที่เกิดปฏิกิริยาลูกโซ่เรียกว่ามวลวิกฤต

ถ้ามวลของยูเรเนียมมีมากกว่าวิกฤต อันเป็นผลมาจากการเพิ่มจำนวนของนิวตรอนอิสระ ปฏิกิริยาลูกโซ่จะทำให้เกิดการระเบิด และถ้ามันน้อยกว่าวิกฤต ปฏิกิริยาจะไม่เกิดขึ้นเนื่องจาก ขาดนิวตรอนอิสระ

เป็นไปได้ที่จะลดการสูญเสียนิวตรอน (ซึ่งบินออกจากยูเรเนียมโดยไม่ทำปฏิกิริยากับนิวเคลียส) ไม่เพียงแต่โดยการเพิ่มมวลของยูเรเนียมเท่านั้น แต่ยังใช้เปลือกสะท้อนแสงแบบพิเศษอีกด้วย เมื่อต้องการทำเช่นนี้ ยูเรเนียมชิ้นหนึ่งจะวางอยู่ในเปลือกที่ทำจากสารที่สะท้อนนิวตรอนได้ดี (เช่น เบริลเลียม) เมื่อสะท้อนจากเปลือกนี้ นิวตรอนจะกลับสู่ยูเรเนียมและสามารถมีส่วนร่วมในการแยกตัวของนิวเคลียร์ได้

มีปัจจัยอื่นๆ อีกหลายประการที่ความเป็นไปได้ของปฏิกิริยาลูกโซ่ขึ้นอยู่ ตัวอย่างเช่น ถ้ายูเรเนียมชิ้นหนึ่งมีสิ่งเจือปนขององค์ประกอบทางเคมีอื่นมากเกินไป พวกมันจะดูดซับนิวตรอนส่วนใหญ่และปฏิกิริยาจะหยุดลง

การมีอยู่ของสิ่งที่เรียกว่าโมเดอเรเตอร์นิวตรอนในยูเรเนียมก็ส่งผลต่อการเกิดปฏิกิริยาเช่นกัน ความจริงก็คือนิวเคลียสของยูเรเนียม-235 มีแนวโน้มที่จะแตกตัวมากที่สุดภายใต้การกระทำของนิวตรอนช้า นิวเคลียร์ฟิชชันทำให้เกิดนิวตรอนเร็ว หากนิวตรอนเร็วถูกทำให้ช้าลง นิวเคลียสของยูเรเนียม-235 ส่วนใหญ่จะถูกดักจับด้วยนิวเคลียสเหล่านี้ในภายหลัง สารต่างๆ เช่น กราไฟต์ น้ำ น้ำหนัก (ซึ่งรวมถึงดิวเทอเรียม ไอโซโทปของไฮโดรเจนที่มีเลขมวล 2) และสารอื่นๆ บางชนิดถูกใช้เป็นตัวกลั่นกรอง สารเหล่านี้ชะลอความเร็วของนิวตรอนเท่านั้น โดยแทบไม่ดูดซับไว้

ดังนั้น ความเป็นไปได้ของปฏิกิริยาลูกโซ่จึงถูกกำหนดโดยมวลของยูเรเนียม ปริมาณของสิ่งเจือปนในนั้น การปรากฏตัวของเปลือกและตัวหน่วง และปัจจัยอื่นๆ

มวลวิกฤตของชิ้นส่วนทรงกลมของยูเรเนียม-235 อยู่ที่ประมาณ 50 กก. ยิ่งกว่านั้นรัศมีของมันเพียง 9 ซม. เนื่องจากยูเรเนียมมีความหนาแน่นสูงมาก

ด้วยการใช้โมเดอเรเตอร์และเปลือกสะท้อนแสงและลดปริมาณสิ่งสกปรก ทำให้สามารถลดมวลวิกฤตของยูเรเนียมลงเหลือ 0.8 กก.

คำถาม

1. เหตุใดปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิชชันจึงเริ่มต้นได้ก็ต่อเมื่อเกิดการเสียรูปภายใต้การกระทำของนิวตรอนที่ถูกดูดซับเท่านั้น
2. เกิดอะไรขึ้นจากการแตกตัวของนิวเคลียส?
3. พลังงานภายในของนิวเคลียสส่งผ่านพลังงานใดในระหว่างการแตกตัวของมัน พลังงานจลน์ของชิ้นส่วนของนิวเคลียสยูเรเนียมในช่วงการชะลอตัวของสิ่งแวดล้อม?
4. ปฏิกิริยาฟิชชันของนิวเคลียสยูเรเนียมดำเนินการอย่างไร - ด้วยการปล่อยพลังงานสู่สิ่งแวดล้อมหรือในทางกลับกันด้วยการดูดซับพลังงาน?
5. อธิบายกลไกของปฏิกิริยาลูกโซ่โดยใช้รูปที่ 163
6. มวลวิกฤตของยูเรเนียมคืออะไร?
7. เป็นไปได้ไหมที่ปฏิกิริยาลูกโซ่จะเกิดขึ้นถ้ามวลของยูเรเนียมน้อยกว่ามวลวิกฤต ที่สำคัญมากขึ้น? ทำไม?

>> ฟิชชันยูเรเนียม

§ 107 การแยกตัวของยูเรเนียมนิวเคลียส

เฉพาะนิวเคลียสของธาตุหนักบางชนิดเท่านั้นที่สามารถแบ่งออกเป็นส่วน ๆ ได้ ในระหว่างการแตกตัวของนิวเคลียส จะมีการปล่อยนิวตรอนและ -ray สองหรือสามตัว ในเวลาเดียวกัน พลังงานจำนวนมากก็ถูกปลดปล่อยออกมา

การค้นพบการแตกตัวของยูเรเนียมการสลายตัวของนิวเคลียสของยูเรเนียมถูกค้นพบในปี 1938 โดยนักวิทยาศาสตร์ชาวเยอรมัน O. Hahn และ F. สตราสมันน์ พวกเขาพบว่าเมื่อยูเรเนียมถูกทิ้งระเบิดด้วยนิวตรอน องค์ประกอบของส่วนตรงกลางของระบบคาบก็เกิดขึ้น: แบเรียม คริปทอน ฯลฯ อย่างไรก็ตาม การตีความที่ถูกต้องของข้อเท็จจริงนี้อย่างแม่นยำเมื่อแบ่งนิวเคลียสของยูเรเนียมที่จับนิวตรอนไว้ที่ ต้นปี 1939 โดย O. Frisch นักฟิสิกส์ชาวอังกฤษ ร่วมกับ L. Meitner นักฟิสิกส์ชาวออสเตรีย

การดักจับนิวตรอนจะทำลายความเสถียรของนิวเคลียส นิวเคลียสตื่นเต้นและไม่เสถียร ซึ่งนำไปสู่การแบ่งออกเป็นชิ้นๆ การแยกตัวของนิวเคลียสเป็นไปได้เพราะมวลส่วนที่เหลือของนิวเคลียสหนักนั้นมากกว่าผลรวมของมวลส่วนที่เหลือของชิ้นส่วนที่เกิดขึ้นระหว่างการแยกตัว ดังนั้นจึงมีการปลดปล่อยพลังงานเทียบเท่ากับการลดลงของมวลส่วนที่เหลือที่มาพร้อมกับการแยกตัว

ความเป็นไปได้ของฟิชชันของนิวเคลียสหนักสามารถอธิบายได้โดยใช้กราฟของการพึ่งพาพลังงานการจับจำเพาะต่อมวล A (ดูรูปที่ 13.11) พลังงานยึดเหนี่ยวจำเพาะของนิวเคลียสอะตอมของธาตุที่อยู่ในระบบธาตุ สถานที่สุดท้าย(A 200) ประมาณ 1 MeV ซึ่งน้อยกว่าพลังงานจับจำเพาะในนิวเคลียสของธาตุที่อยู่ตรงกลางของระบบธาตุ (A 100) ดังนั้นกระบวนการฟิชชันของนิวเคลียสหนักไปเป็นนิวเคลียสของธาตุที่อยู่ตรงกลางของระบบธาตุเป็นระยะจึงเป็นที่นิยมอย่างมาก หลังจากการแยกตัว ระบบจะเข้าสู่สถานะที่มีพลังงานภายในน้อยที่สุด ท้ายที่สุด ยิ่งพลังงานยึดเหนี่ยวของนิวเคลียสมากเท่าใด พลังงานก็จะยิ่งต้องถูกปลดปล่อยออกมาเมื่อนิวเคลียสเกิดขึ้น ด้วยเหตุนี้ พลังงานภายในของระบบที่ก่อตัวขึ้นใหม่ยิ่งต่ำลงเท่านั้น

ในระหว่างการแตกตัวของนิวเคลียร์ พลังงานยึดเหนี่ยวต่อนิวคลีออนจะเพิ่มขึ้น 1 MeV และพลังงานทั้งหมดที่ปล่อยออกมาจะต้องมีขนาดใหญ่มาก - ประมาณ 200 MeV ภายใต้ไม่มีอื่น ๆ ปฏิกิริยานิวเคลียร์(ไม่เกี่ยวข้องกับฟิชชัน) พลังงานขนาดใหญ่ดังกล่าวจะไม่ถูกปล่อยออกมา

การวัดโดยตรงของพลังงานที่ปล่อยออกมาในระหว่างการแตกตัวของนิวเคลียสยูเรเนียมยืนยันการพิจารณาข้างต้นและให้ค่า 200 MeV นอกจากนี้ พลังงานส่วนใหญ่ (168 MeV) ยังตกอยู่กับพลังงานจลน์ของชิ้นส่วน ในรูปที่ 13.13 คุณจะเห็นรอยแยกของชิ้นส่วนยูเรเนียมแบบฟิชไซล์ในห้องเมฆ

พลังงานที่ปล่อยออกมาในระหว่างการแตกตัวของนิวเคลียร์เป็นไฟฟ้าสถิตมากกว่าแหล่งกำเนิดนิวเคลียร์ พลังงานจลน์ขนาดใหญ่ที่แตกออกเป็นชิ้นเล็กชิ้นน้อยเกิดจากการผลักคูลอมบ์ของพวกมัน

กลไกการเกิดปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิชชันกระบวนการแยกตัวของนิวเคลียสสามารถอธิบายได้โดยใช้แบบจำลองการตกของนิวเคลียส ตามแบบจำลองนี้ นิวคลีออนจำนวนหนึ่งมีลักษณะคล้ายกับของเหลวที่มีประจุ (รูปที่ 13.14, a) แรงนิวเคลียร์ระหว่างนิวคลีออนมีระยะสั้น เช่นเดียวกับแรงที่กระทำระหว่างโมเลกุลของเหลว นอกจากแรงผลักอย่างแรงของไฟฟ้าสถิตระหว่างโปรตอน ซึ่งมีแนวโน้มที่จะฉีกนิวเคลียสออกจากกัน ยังมีแรงดึงดูดนิวเคลียร์ขนาดใหญ่อีกด้วย แรงเหล่านี้ทำให้นิวเคลียสไม่สลายตัว

นิวเคลียสของยูเรเนียม-235 เป็นทรงกลม เมื่อดูดซับนิวตรอนพิเศษแล้วจะรู้สึกตื่นเต้นและเริ่มเปลี่ยนรูปเพื่อให้ได้รูปร่างที่ยาวขึ้น (รูปที่ 13.14, b) แกนกลางจะยืดออกจนกว่าแรงผลักระหว่างครึ่งหนึ่งของแกนที่ยืดออกจะเริ่มมีชัยเหนือแรงดึงดูดที่กระทำในคอคอด (รูปที่ 13.14, c) หลังจากนั้นก็ถูกฉีกออกเป็นสองส่วน (รูปที่ 13.14, d)

ภายใต้การกระทำของแรงผลักของคูลอมบ์ ชิ้นส่วนเหล่านี้แยกออกจากกันด้วยความเร็วเท่ากับ 1/30 ของความเร็วแสง

การปล่อยนิวตรอนระหว่างการแยกตัวข้อเท็จจริงพื้นฐานของปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิชชันคือการปล่อยนิวตรอนสองหรือสามนิวตรอนในระหว่างการแตกตัว มันทำให้เป็นไปได้ การใช้งานจริงพลังงานภายในนิวเคลียร์

เป็นไปได้ที่จะเข้าใจว่าทำไมนิวตรอนอิสระจึงถูกปล่อยออกมาจากข้อพิจารณาต่อไปนี้ เป็นที่ทราบกันว่าอัตราส่วนของจำนวนนิวตรอนต่อจำนวนโปรตอนในนิวเคลียสที่เสถียรจะเพิ่มขึ้นตามจำนวนอะตอมที่เพิ่มขึ้น ดังนั้นในชิ้นส่วนที่เกิดขึ้นในระหว่างการแตกตัว จำนวนสัมพัทธ์ของนิวตรอนจึงมากกว่าที่อนุญาตสำหรับนิวเคลียสของอะตอมที่อยู่ตรงกลางตารางธาตุ เป็นผลให้มีการปล่อยนิวตรอนหลายตัวในกระบวนการฟิชชัน พลังงานของพวกเขาคือ ความหมายต่างๆ- จากหลายล้านอิเล็กตรอนโวลต์ไปจนถึงขนาดเล็กมากใกล้กับศูนย์

การแยกตัวมักจะเกิดขึ้นเป็นชิ้นเล็กชิ้นน้อยซึ่งมีมวลแตกต่างกันประมาณ 1.5 เท่า ชิ้นส่วนเหล่านี้มีกัมมันตภาพรังสีสูง เนื่องจากมีนิวตรอนในปริมาณมากเกินไป อันเป็นผลมาจากการสลายตัวต่อเนื่องกันเป็นชุด ทำให้ได้ไอโซโทปที่เสถียรในที่สุด

โดยสรุป เราสังเกตว่ามีนิวเคลียสของยูเรเนียมเกิดขึ้นเองด้วย มันถูกค้นพบโดยนักฟิสิกส์โซเวียต G. N. Flerov และ K. A. Petrzhak ในปี 1940 ครึ่งชีวิตสำหรับการแตกตัวที่เกิดขึ้นเองคือ 10 16 ปี ซึ่งยาวนานกว่าครึ่งชีวิตของยูเรเนียมที่สลายตัวถึงสองล้านเท่า

ปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิชชันจะมาพร้อมกับการปลดปล่อยพลังงาน

เนื้อหาบทเรียน สรุปบทเรียนสนับสนุนการนำเสนอบทเรียนกรอบแบบเร่งรัด เทคโนโลยีแบบโต้ตอบ ฝึกฝน งานและแบบฝึกหัด เวิร์คช็อป สอบด้วยตนเอง อบรม เคส เควส การบ้าน คำถาม อภิปราย คำถามเชิงวาทศิลป์จากนักเรียน ภาพประกอบ เสียง คลิปวิดีโอ และมัลติมีเดียภาพถ่าย, ภาพกราฟิก, ตาราง, แผนการตลก, เกร็ดเล็กเกร็ดน้อย, เรื่องตลก, การ์ตูน, อุปมา, คำพูด, ปริศนาอักษรไขว้, คำพูด ส่วนเสริม บทคัดย่อชิปบทความสำหรับแผ่นโกงที่อยากรู้อยากเห็น ตำราพื้นฐานและคำศัพท์เพิ่มเติมอื่น ๆ ปรับปรุงตำราและบทเรียนแก้ไขข้อผิดพลาดในตำราเรียนการปรับปรุงชิ้นส่วนในตำราองค์ประกอบนวัตกรรมในบทเรียนแทนที่ความรู้ที่ล้าสมัยด้วยความรู้ใหม่ สำหรับครูเท่านั้น บทเรียนที่สมบูรณ์แบบ แผนปฏิทินเป็นเวลาหนึ่งปี แนวทางโปรแกรมสนทนา บทเรียนแบบบูรณาการ

ในปีพ.ศ. 2477 อี. แฟร์มีตัดสินใจรับธาตุทรานส์ยูเรเนียมโดยการฉายรังสี 238 U ด้วยนิวตรอน แนวคิดของ E. Fermi คือเป็นผลมาจากการสลายตัวของ β - การสลายตัวของไอโซโทป 239 U องค์ประกอบทางเคมีด้วยเลขอะตอม Z = 93 อย่างไรก็ตาม ไม่สามารถระบุการก่อตัวขององค์ประกอบที่ 93 ได้ จากการวิเคราะห์กัมมันตภาพรังสีของธาตุกัมมันตรังสีที่ทำโดย O. Hahn และ F. Strassmann พบว่าหนึ่งในผลิตภัณฑ์ของการฉายรังสียูเรเนียมกับนิวตรอนคือแบเรียม (Z = 56) ซึ่งเป็นองค์ประกอบทางเคมีที่มีน้ำหนักอะตอมปานกลาง ในขณะที่ตามสมมติฐานของทฤษฎี Fermi องค์ประกอบ transuranium ควรจะได้รับการผลิต
L. Meitner และ O. Frisch เสนอว่าเป็นผลมาจากการจับนิวตรอนโดยนิวเคลียสของยูเรเนียม นิวเคลียสของสารประกอบจะแตกออกเป็นสองส่วน

92 U + n → 56 Ba + 36 Kr + xn.

กระบวนการแตกตัวของยูเรเนียมจะมาพร้อมกับการปรากฏตัวของนิวตรอนทุติยภูมิ (x > 1) ที่สามารถทำให้เกิดฟิชชันของนิวเคลียสของยูเรเนียมอื่น ๆ ซึ่งเปิดโอกาสในการเกิดปฏิกิริยาลูกโซ่ฟิชชันที่จะเกิดขึ้น - หนึ่งนิวตรอนสามารถก่อให้เกิดสายโซ่ที่แตกแขนง ของการแตกตัวของนิวเคลียสยูเรเนียม ในกรณีนี้ จำนวนนิวเคลียสที่แยกจากกันควรเพิ่มขึ้นแบบทวีคูณ N. Bohr และ J. Wheeler คำนวณพลังงานวิกฤตที่จำเป็นสำหรับนิวเคลียส 236 U ซึ่งเกิดขึ้นจากการจับนิวตรอนโดยไอโซโทป 235 U เพื่อแยกออก ค่านี้คือ 6.2 MeV ซึ่งน้อยกว่าพลังงานกระตุ้นของไอโซโทป 236 U ที่เกิดขึ้นระหว่างการจับนิวตรอนความร้อน 235 U ดังนั้น เมื่อจับนิวตรอนความร้อน ปฏิกิริยาลูกโซ่ฟิชชันจะอยู่ที่ 235 U สำหรับส่วนใหญ่ ไอโซโทปทั่วไป 238 U พลังงานวิกฤตคือ 5.9 MeV ในขณะที่เมื่อจับนิวตรอนความร้อน พลังงานกระตุ้นของนิวเคลียส 239 U ที่เป็นผลลัพธ์จะมีค่าเพียง 5.2 MeV ดังนั้นปฏิกิริยาลูกโซ่ของการแตกตัวของไอโซโทปธรรมชาติที่พบมากที่สุด 238 U ภายใต้การกระทำของนิวตรอนความร้อนจึงเป็นไปไม่ได้ ในเหตุการณ์ที่เกิดการแยกตัว พลังงาน ≈ 200 MeV จะถูกปล่อยออกมา (สำหรับการเปรียบเทียบ ใน ปฏิกริยาเคมีการเผาไหม้ในปฏิกิริยาเดียวพลังงาน ≈ 10 eV จะถูกปล่อยออกมา) ความเป็นไปได้ในการสร้างเงื่อนไขสำหรับปฏิกิริยาลูกโซ่ฟิชชันเปิดโอกาสในการใช้พลังงานของปฏิกิริยาลูกโซ่เพื่อสร้างเครื่องปฏิกรณ์ปรมาณูและอาวุธปรมาณู เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์เครื่องแรกสร้างโดย E. Fermi ในสหรัฐอเมริกาในปี 1942 ในสหภาพโซเวียต เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์เครื่องแรกเปิดตัวภายใต้การนำของ I. Kurchatov ในปี 1946 ในปี 1954 โรงไฟฟ้านิวเคลียร์แห่งแรกของโลกเริ่มดำเนินการใน Obninsk ปัจจุบัน พลังงานไฟฟ้าถูกสร้างขึ้นในเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ประมาณ 440 เครื่องใน 30 ประเทศทั่วโลก
ในปี 1940 G. Flerov และ K. Petrzhak ค้นพบการแตกตัวที่เกิดขึ้นเองของยูเรเนียม ตัวเลขต่อไปนี้เป็นเครื่องยืนยันถึงความซับซ้อนของการทดลอง ค่าครึ่งชีวิตบางส่วนเทียบกับฟิชชันที่เกิดขึ้นเองของไอโซโทป 238 U คือ 10 16 –10 17 ปี ในขณะที่ระยะเวลาการสลายตัวของไอโซโทป 238 U คือ 4.5∙10 9 ปี ช่องทางการสลายตัวหลักสำหรับไอโซโทป 238 U คือ α-สลายตัว เพื่อที่จะสังเกตการแตกตัวที่เกิดขึ้นเองของไอโซโทป 238 U จำเป็นต้องลงทะเบียนเหตุการณ์การแตกตัวหนึ่งเหตุการณ์กับพื้นหลังของ 10 7 -10 8 เหตุการณ์ α-การสลายตัว
ความน่าจะเป็นของการเกิดฟิชชันที่เกิดขึ้นเองนั้นพิจารณาจากการซึมผ่านของตัวกั้นฟิชชันเป็นหลัก ความน่าจะเป็นของการแยกตัวที่เกิดขึ้นเองเพิ่มขึ้นเมื่อประจุของนิวเคลียสเพิ่มขึ้นตั้งแต่ สิ่งนี้จะเพิ่มพารามิเตอร์การหาร Z 2 /A ในไอโซโทป Z< 92-95 деление происходит преимущественно с образованием двух осколков деления с отношением масс тяжёлого и лёгкого осколков 3:2. В изотопах Z >100 การแยกตัวแบบสมมาตรมีอิทธิพลเหนือการก่อตัวของชิ้นส่วนที่มีมวลเท่ากัน เมื่อประจุของนิวเคลียสเพิ่มขึ้น สัดส่วนของการแยกตัวที่เกิดขึ้นเองจะเพิ่มขึ้นเมื่อเปรียบเทียบกับการสลายตัวของ α

ไอโซโทป	ครึ่งชีวิต	ช่องทางแห่งความเสื่อม
235 ยู	7.04 10 8 ปี	α (100%), SF (7 10 -9%)
238 ยู	4.47 10 9 ปี	α (100%), เอสเอฟ (5.5 10 -5%)
240 ปู	6.56 10 3 ปี	α (100%), เอสเอฟ (5.7 10 -6%)
242 ปู	3.75 10 5 ปี	α (100%), SF (5.5 10 -4%)
246ซม.	4.76 10 3 ปี	α (99.97%), เอสเอฟ (0.03%)
252 cf	2.64 ปี	α (96.91%), เอสเอฟ (3.09%)
254 cf	อายุ 60.5 ปี	α (0.31%), เอสเอฟ (99.69%)
256 cf	อายุ 12.3 ปี	α (7.04 10 -8%), เอสเอฟ (100%)

นิวเคลียร์. ประวัติศาสตร์

พ.ศ. 2477- อี. แฟร์มี ผู้ฉายรังสียูเรเนียมด้วยนิวตรอนความร้อน พบนิวเคลียสกัมมันตภาพรังสีในผลิตภัณฑ์ปฏิกิริยา ซึ่งไม่สามารถสร้างธรรมชาติได้
L. Szilard เสนอแนวคิดเรื่องปฏิกิริยาลูกโซ่นิวเคลียร์

พ.ศ. 2482− O. Hahn และ F. Strassmann ค้นพบแบเรียมในผลิตภัณฑ์ปฏิกิริยา
L. Meitner และ O. Frisch ประกาศเป็นครั้งแรกว่าภายใต้การกระทำของนิวตรอน ยูเรเนียมถูกแยกออกเป็นสองส่วนที่มีมวลเท่ากัน
N. Bohr และ J. Wheeler ให้การตีความเชิงปริมาณของปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิชชันโดยการแนะนำพารามิเตอร์ฟิชชัน
ยา Frenkel พัฒนาทฤษฎีการตกของนิวเคลียร์ฟิชชันโดยนิวตรอนช้า
L. Szilard, E. Wigner, E. Fermi, J. Wheeler, F. Joliot-Curie, Ya. Zeldovich, Yu. Khariton ยืนยันความเป็นไปได้ของปฏิกิริยาลูกโซ่ฟิชชันนิวเคลียร์ที่เกิดขึ้นในยูเรเนียม

พ.ศ. 2483− G. Flerov และ K. Petrzhak ค้นพบปรากฏการณ์การแตกตัวที่เกิดขึ้นเองของนิวเคลียสยูเรเนียม U

พ.ศ. 2485− E. Fermi ดำเนินการควบคุมปฏิกิริยาลูกโซ่ฟิชชันในเครื่องปฏิกรณ์ปรมาณูเครื่องแรก

พ.ศ. 2488− การทดสอบอาวุธนิวเคลียร์ครั้งแรก (เนวาดา สหรัฐอเมริกา) ระเบิดปรมาณูถูกทิ้งในเมืองฮิโรชิมา (6 สิงหาคม) และนางาซากิ (9 สิงหาคม) ในญี่ปุ่น

พ.ศ. 2489- ภายใต้การนำของ I.V. Kurchatov เครื่องปฏิกรณ์เครื่องแรกในยุโรปเปิดตัว

พ.ศ. 2497− โรงไฟฟ้านิวเคลียร์แห่งแรกของโลกเปิดตัว (Obninsk, USSR)

นิวเคลียร์.ตั้งแต่ปี 1934 E. Fermi เริ่มใช้นิวตรอนเพื่อทิ้งระเบิดอะตอม ตั้งแต่นั้นมา จำนวนนิวเคลียสที่เสถียรหรือนิวเคลียสกัมมันตภาพรังสีที่ได้จากการแปลงสภาพประดิษฐ์ได้เพิ่มขึ้นเป็นหลายร้อย และเกือบทุกที่ในตารางธาตุเต็มไปด้วยไอโซโทป
อะตอมที่เกิดขึ้นในปฏิกิริยานิวเคลียร์ทั้งหมดเหล่านี้ครอบครองที่เดียวกันในตารางธาตุกับอะตอมที่ถูกทิ้งระเบิดหรือสถานที่ใกล้เคียง ดังนั้นการพิสูจน์โดย Hahn และ Strassmann ในปี 1938 ว่าเมื่อนิวตรอนโจมตีองค์ประกอบสุดท้ายของระบบธาตุ−ยูเรเนียม−สลายเป็นองค์ประกอบที่อยู่ตรงกลางของระบบธาตุ การแสดงที่นี่ ประเภทต่างๆการสลายตัว อะตอมที่เกิดขึ้นส่วนใหญ่ไม่เสถียรและสลายตัวต่อไปในทันที บางตัวมีครึ่งชีวิตวัดเป็นวินาที กานจึงต้องสมัคร วิธีการวิเคราะห์ Curie เพื่อยืดกระบวนการที่รวดเร็วดังกล่าว สิ่งสำคัญคือต้องสังเกตว่าองค์ประกอบที่อยู่ด้านหน้าของยูเรเนียม โพรแทกทิเนียม และทอเรียม ยังแสดงการสลายตัวที่คล้ายกันภายใต้การกระทำของนิวตรอน แม้ว่าจะต้องใช้พลังงานนิวตรอนที่สูงกว่าเพื่อให้การสลายตัวเริ่มต้นมากกว่าในกรณีของยูเรเนียม นอกจากนี้ ในปี 1940 G. N. Flerov และ K. A. Petrzhak ได้ค้นพบการแตกตัวที่เกิดขึ้นเองของนิวเคลียสของยูเรเนียมด้วยครึ่งชีวิตที่ยาวที่สุดที่ทราบมาก่อน: ประมาณ 2· 10 15 ปี; ข้อเท็จจริงนี้ชัดเจนขึ้นเนื่องจากนิวตรอนที่ปล่อยออกมาในกระบวนการ ดังนั้นจึงเป็นไปได้ที่จะเข้าใจว่าทำไมระบบธาตุ "ตามธรรมชาติ" จึงลงเอยด้วยองค์ประกอบที่มีชื่อทั้งสาม ธาตุทรานส์ยูเรเนียมเป็นที่ทราบกันดีอยู่แล้ว แต่พวกมันไม่เสถียรจนสลายตัวอย่างรวดเร็ว
การแยกตัวของยูเรเนียมด้วยนิวตรอนทำให้สามารถใช้พลังงานปรมาณูได้ ซึ่งหลายคนคิดว่าเป็น "ความฝันของ Jules Verne"

M. Laue ประวัติศาสตร์ฟิสิกส์

2482 O. Hahn และ F. Strassmann เกลือยูเรเนียมฉายรังสีด้วยนิวตรอนความร้อน ค้นพบในผลิตภัณฑ์ปฏิกิริยาแบเรียม (Z = 56)

Otto Gunn (1879 – 1968)

นิวเคลียร์ฟิชชันคือการแตกตัวของนิวเคลียสออกเป็นสองนิวเคลียส (แทบจะไม่มีสาม) นิวเคลียสที่มีมวลใกล้เคียงกัน ซึ่งเรียกว่าฟิชชันแฟรกเมนต์ ในระหว่างการแตกตัว อนุภาคอื่นๆ ก็เกิดขึ้นเช่นกัน - นิวตรอน อิเล็กตรอน อนุภาค α ผลจากฟิชชัน พลังงานประมาณ 200 MeV จะถูกปล่อยออกมา ฟิชชันอาจเกิดขึ้นเองหรือบังคับภายใต้การกระทำของอนุภาคอื่นๆ ซึ่งส่วนใหญ่มักเป็นนิวตรอน
ลักษณะเฉพาะของฟิชชันคือ ตามกฎแล้ว ชิ้นส่วนฟิชชันมีความแตกต่างกันอย่างมีนัยสำคัญในมวล กล่าวคือ ฟิชชันแบบอสมมาตรมีอิทธิพลเหนือกว่า ดังนั้น ในกรณีของการแยกตัวที่เป็นไปได้มากที่สุดของไอโซโทปยูเรเนียม 236 U อัตราส่วนมวลของชิ้นส่วนคือ 1.46 ชิ้นส่วนหนักมีจำนวนมวล 139 (ซีนอน) และชิ้นส่วนที่มีน้ำหนักเบามีเลขมวล 95 (สตรอนเทียม) เมื่อพิจารณาการปล่อยนิวตรอนพร้อมต์สองนิวตรอน ปฏิกิริยาฟิชชันที่พิจารณาจะมีรูปแบบ

รางวัลโนเบลสาขาเคมี
1944 - โอกาน
สำหรับการค้นพบปฏิกิริยาฟิชชันของนิวเคลียสยูเรเนียมโดยนิวตรอน

เศษฟิชชัน

การพึ่งพามวลเฉลี่ยของกลุ่มชิ้นส่วนเบาและหนักต่อมวลของนิวเคลียสฟิชไซล์

การค้นพบนิวเคลียร์ฟิชชัน พ.ศ. 2482

ฉันมาสวีเดนที่ซึ่ง Lise Meitner ทนทุกข์จากความเหงา และในฐานะหลานชายผู้อุทิศตน ฉันตัดสินใจไปเยี่ยมเธอในวันคริสต์มาส เธออาศัยอยู่ในโรงแรมขนาดเล็ก Kungälv ใกล้เมืองโกเธนเบิร์ก ฉันจับเธอตอนอาหารเช้า เธอพิจารณาจดหมายที่เธอเพิ่งได้รับจากฮัน ฉันสงสัยมากเกี่ยวกับเนื้อหาของจดหมายซึ่งรายงานการก่อตัวของแบเรียมโดยการฉายรังสียูเรเนียมด้วยนิวตรอน อย่างไรก็ตาม เธอถูกดึงดูดโดยโอกาสนี้ เราเดินบนหิมะ เธอเดิน ฉันเล่นสกี (เธอบอกว่าเธอทำแบบนี้ได้โดยไม่ตกหลังฉัน แล้วเธอก็พิสูจน์) ในตอนท้ายของการเดินเราสามารถกำหนดข้อสรุปบางอย่างได้แล้ว นิวเคลียสไม่แตกออก และชิ้นส่วนไม่ได้หลุดออกจากมัน แต่เป็นกระบวนการที่ค่อนข้างคล้ายกับแบบจำลองการตกของนิวเคลียสของบอร์ นิวเคลียสสามารถยืดออกและแบ่งตัวได้เหมือนหยดน้ำ จากนั้นฉันก็สำรวจวิธีการ ค่าไฟฟ้านิวคลีออนช่วยลดแรงตึงผิว ซึ่งตามที่ฉันสามารถสร้างขึ้นได้ ลดลงเป็นศูนย์ที่ Z = 100 และบางทียูเรเนียมอาจมีขนาดเล็กมาก Lise Meitner มีส่วนร่วมในการกำหนดพลังงานที่ปล่อยออกมาในแต่ละการสลายตัวเนื่องจากข้อบกพร่องของมวล เธอมีความคิดที่ชัดเจนเกี่ยวกับเส้นโค้งข้อบกพร่องของมวล ปรากฎว่าเนื่องจากการผลักไฟฟ้าสถิต องค์ประกอบฟิชชันจะได้รับพลังงานประมาณ 200 MeV และสิ่งนี้สอดคล้องกับพลังงานที่เกี่ยวข้องกับความบกพร่องของมวล ดังนั้น กระบวนการนี้สามารถดำเนินไปอย่างคลาสสิกโดยไม่ต้องเกี่ยวข้องกับแนวคิดของการผ่านอุปสรรคที่อาจเกิดขึ้น ซึ่งแน่นอนว่าจะไม่มีประโยชน์ที่นี่
เราใช้เวลาสองหรือสามวันด้วยกันในช่วงคริสต์มาส จากนั้นฉันก็กลับมาที่โคเปนเฮเกนและแทบไม่มีเวลาบอก Bohr เกี่ยวกับแนวคิดของเราในขณะที่เขาขึ้นเรือกลไฟไปยังสหรัฐอเมริกาแล้ว ฉันจำได้ตอนที่เขาตบหน้าผากทันทีที่ฉันเริ่มพูดและอุทาน: “โอ้ เรามันโง่จริงๆ! เราควรสังเกตให้เร็วกว่านี้” แต่เขาไม่ได้สังเกตและไม่มีใครสังเกตเห็น
Lise Meitner และฉันเขียนบทความ ในเวลาเดียวกัน เราก็ติดต่อกันโดยโทรศัพท์ทางไกล โคเปนเฮเกน - สตอกโฮล์ม

O. Frisch บันทึกความทรงจำ. ยูเอฟเอ็น 2511 ต. 96 ฉบับที่ 4 หน้า 697.

นิวเคลียร์ฟิชชันที่เกิดขึ้นเอง

ในการทดลองที่อธิบายด้านล่าง เราใช้วิธีการแรกที่ Frisch เสนอในการบันทึกกระบวนการแยกตัวของนิวเคลียร์ ห้องไอออไนเซชันที่มีเพลตเคลือบด้วยชั้นของยูเรเนียมออกไซด์เชื่อมต่อกับแอมพลิฟายเออร์เชิงเส้นที่ปรับแต่งในลักษณะที่อนุภาค α ที่ปล่อยออกมาจากยูเรเนียมไม่ได้รับการลงทะเบียนโดยระบบ แรงกระตุ้นจากชิ้นส่วนซึ่งมากกว่าแรงกระตุ้นจากอนุภาค α มาก จะปลดล็อกไทราตรอนเอาต์พุตและถือเป็นรีเลย์เชิงกล
ห้องไอออไนซ์ได้รับการออกแบบมาเป็นพิเศษในรูปแบบของตัวเก็บประจุแบบแบนหลายชั้นด้วย ด้วยพื้นที่ทั้งหมดจาน 15 แผ่นใน 1,000 ซม. จานซึ่งอยู่ห่างจากกัน 3 มม. เคลือบด้วยชั้นของยูเรเนียมออกไซด์ 10-20 มก./ซม. 2 .
ในการทดลองครั้งแรกด้วยแอมพลิฟายเออร์ที่ปรับแต่งเพื่อนับชิ้นส่วน มันเป็นไปได้ที่จะสังเกตพัลส์ที่เกิดขึ้นเอง (ในกรณีที่ไม่มีแหล่งกำเนิดนิวตรอน) บนรีเลย์และออสซิลโลสโคป จำนวนแรงกระตุ้นเหล่านี้มีน้อย (6 ต่อ 1 ชั่วโมง) และค่อนข้างเข้าใจได้ดังนั้นปรากฏการณ์นี้จึงไม่สามารถสังเกตได้ด้วยกล้องประเภทปกติ ...
เรามักจะคิดว่า ผลกระทบที่เราสังเกตเห็นจะต้องมาจากเศษที่เกิดจากการแยกตัวของยูเรเนียมที่เกิดขึ้นเอง ...

ฟิชชันที่เกิดขึ้นเองควรเกิดจากไอโซโทป U ที่ไม่ถูกกระตุ้นด้วยครึ่งชีวิตที่ได้จากการประเมินผลลัพธ์ของเรา:

ยู 238 – 10 16 ~ 10 17 ปีที่,
ยู 235 – 10 14 ~ 10 15 ปีที่,
ยู 234 – 10 12 ~ 10 13 ปีที่.

การสลายตัวของไอโซโทป 238 ยู

นิวเคลียร์ฟิชชันที่เกิดขึ้นเอง

ครึ่งชีวิตของไอโซโทปที่แตกตัวได้เอง Z = 92 - 100

ระบบทดลองระบบแรกที่มีโครงตาข่ายยูเรเนียม-กราไฟต์สร้างขึ้นในปี 1941 ภายใต้การนำของอี. แฟร์มี มันคือกราไฟต์ลูกบาศก์ที่มีซี่โครงยาว 2.5 ม. มียูเรเนียมออกไซด์ประมาณ 7 ตัน ล้อมรอบด้วยภาชนะเหล็ก ซึ่งวางอยู่ในลูกบาศก์โดยเว้นระยะห่างเท่ากัน แหล่งกำเนิดนิวตรอน RaBe ถูกวางไว้ที่ด้านล่างของโครงตาข่ายยูเรเนียม-กราไฟต์ ปัจจัยการคูณในระบบดังกล่าวคือ ≈0.7 ยูเรเนียมออกไซด์มีสิ่งเจือปนตั้งแต่ 2 ถึง 5% ความพยายามเพิ่มเติมมุ่งไปสู่การได้รับมากขึ้น วัสดุสะอาดและในเดือนพฤษภาคม พ.ศ. 2485 ได้ยูเรเนียมออกไซด์ซึ่งมีสิ่งเจือปนน้อยกว่า 1% เพื่อให้แน่ใจว่าปฏิกิริยาลูกโซ่ฟิชชัน จำเป็นต้องใช้กราไฟต์และยูเรเนียมจำนวนมาก - ตามลำดับหลายตัน สิ่งเจือปนต้องน้อยกว่าสองสามส่วนในล้านส่วน เครื่องปฏิกรณ์ซึ่งประกอบขึ้นเมื่อปลายปี พ.ศ. 2485 โดย Fermi ที่มหาวิทยาลัยชิคาโกมีรูปร่างของทรงกลมที่ไม่สมบูรณ์ถูกตัดขาดจากด้านบน ประกอบด้วยยูเรเนียม 40 ตันและกราไฟท์ 385 ตัน ในตอนเย็นของวันที่ 2 ธันวาคม พ.ศ. 2485 หลังจากที่ถอดแท่งดูดซับนิวตรอนออก ก็พบว่ามีปฏิกิริยาลูกโซ่นิวเคลียร์เกิดขึ้นภายในเครื่องปฏิกรณ์ ค่าสัมประสิทธิ์ที่วัดได้คือ 1.0006 เริ่มแรก เครื่องปฏิกรณ์ทำงานที่ระดับพลังงาน 0.5 W เมื่อวันที่ 12 ธันวาคม พลังของมันเพิ่มขึ้นเป็น 200 วัตต์ ต่อจากนั้นก็ย้ายเครื่องปฏิกรณ์ไปที่more สถานที่ปลอดภัยและกำลังเพิ่มขึ้นเป็นหลายกิโลวัตต์ ในกรณีนี้ เครื่องปฏิกรณ์ใช้ยูเรเนียม-235 0.002 กรัมต่อวัน

เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์เครื่องแรกในสหภาพโซเวียต

อาคารสำหรับเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์วิจัย F-1 เครื่องแรกในสหภาพโซเวียตพร้อมแล้วในเดือนมิถุนายน พ.ศ. 2489
หลังจากทำการทดลองที่จำเป็นทั้งหมดแล้ว ระบบควบคุมและป้องกันเครื่องปฏิกรณ์ได้รับการพัฒนา มิติของเครื่องปฏิกรณ์ถูกสร้างขึ้น การทดลองที่จำเป็นทั้งหมดได้ดำเนินการด้วยแบบจำลองเครื่องปฏิกรณ์ ความหนาแน่นของนิวตรอนถูกกำหนดในหลายรุ่น ได้รับบล็อกกราไฟท์ (ที่เรียกว่าความบริสุทธิ์ของนิวเคลียร์) และ (หลังจากการตรวจสอบนิวตรอน-ฟิสิกส์) บล็อกยูเรเนียมในเดือนพฤศจิกายน พ.ศ. 2489 เริ่มการก่อสร้างเครื่องปฏิกรณ์ F-1
รัศมีรวมของเครื่องปฏิกรณ์คือ 3.8 ม. ต้องใช้กราไฟท์ 400 ตันและยูเรเนียม 45 ตัน เครื่องปฏิกรณ์ถูกประกอบเป็นชั้น ๆ และเมื่อเวลา 15.00 น. ของวันที่ 25 ธันวาคม พ.ศ. 2489 ได้มีการประกอบชั้นสุดท้าย 62 ชั้น หลังจากการสกัดแท่งฉุกเฉินที่เรียกว่าแท่งควบคุม แท่งควบคุมถูกยกขึ้น ความหนาแน่นของนิวตรอนเริ่มนับ และเมื่อเวลา 18:00 น. ของวันที่ 25 ธันวาคม พ.ศ. 2489 เครื่องปฏิกรณ์เครื่องแรกในสหภาพโซเวียตก็กลับมามีชีวิตอีกครั้ง มันเป็นชัยชนะที่น่าตื่นเต้นสำหรับนักวิทยาศาสตร์ - ผู้สร้างเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์และทุกสิ่ง ชาวโซเวียต. หนึ่งปีครึ่งต่อมา เมื่อวันที่ 10 มิถุนายน พ.ศ. 2491 เครื่องปฏิกรณ์อุตสาหกรรมที่มีน้ำในช่องทางเข้าสู่สภาวะวิกฤติและในไม่ช้าก็เริ่มการผลิตเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ชนิดใหม่ - พลูโทเนียมทางอุตสาหกรรม