Що називають реакцією розподілу ядра. Поділ ядра урану

Клас

Урок № 42-43

Ланцюжкова реакціяподілу ядер урану. Ядерна енергетика та екологія. Радіоактивність. Період напіврозпаду.

Ядерні реакції

Ядерна реакція – це процес взаємодії атомного ядраз іншим ядром або елементарною частинкою, що супроводжується зміною складу та структури ядра та виділенням вторинних частинок або γ-квантів.

В результаті ядерних реакцій можуть утворюватися нові радіоактивні ізотопи, яких немає на Землі. природних умов.

Перша ядерна реакція була здійснена Е. Резерфордом в 1919 в дослідах з виявлення протонів в продуктах розпаду ядер (див. § 9.5). Резерфорд бомбардував атоми азоту α-частинками. При зіткненні частинок відбувалася ядерна реакція, що протікала за такою схемою:

При ядерних реакціях виконується кілька законів збереження: імпульсу, енергії, моменту імпульсу, заряду. Крім цих класичних законів збереження при ядерних реакціях виконується закон збереження так званого баріонного заряду(тобто числа нуклонів – протонів та нейтронів). Виконується також низка інших законів збереження, специфічних для ядерної фізики та фізики елементарних частинок.

Ядерні реакції можуть протікати за бомбардування атомів швидкими зарядженими частинками (протони, нейтрони, α-частинки, іони). Перша така реакція була здійснена за допомогою протонів великої енергії, отриманих на прискорювачі, в 1932 році:

де M A та M B – маси вихідних продуктів, M C та M D – маси кінцевих продуктівреакції. Величина ΔM називається дефектом мас. Ядерні реакції можуть протікати з виділенням (Q>0) або з поглинанням енергії (Q< 0). Во втором случае первоначальная кинетическая энергия исходных продуктов должна превышать величину |Q|, которая называется порогом реакции.

Для того, щоб ядерна реакція мала позитивний енергетичний вихід, питома енергія зв'язкунуклонів в ядрах вихідних продуктів має бути менше питомої енергіїзв'язку нуклонів у ядрах кінцевих продуктів. Це означає, що величина M повинна бути позитивною.

Можливі два принципово різні способи звільнення ядерної енергії.

1. Поділ важких ядер. На відміну від радіоактивного розпаду ядер, що супроводжується випромінюванням α- або β-частинок, реакції розподілу – це процес, при якому нестабільне ядро ​​поділяється на два великі фрагменти порівнянних мас.

У 1939 році німецькими вченими О. Ганом та Ф. Штрассманом було відкрито розподіл ядер урану. Продовжуючи дослідження, започатковані Фермі, вони встановили, що при бомбардуванні урану нейтронами виникають елементи середньої частини. періодичної системи- радіоактивні ізотопи барію (Z = 56), криптону (Z = 36) та ін.

Уран зустрічається у природі у вигляді двох ізотопів: (99,3 %) та (0,7 %). При бомбардуванні нейтронами ядра обох ізотопів можуть розщеплюватися на два уламки. У цьому реакція розподілу найбільш інтенсивно йде на повільних (теплових) нейтронах, тоді як ядра входять у реакцію розподілу лише з швидкими нейтронами з енергією близько 1 МеВ.

Основний інтерес для ядерної енергетикиреакція поділу ядра В даний час відомі близько 100 різних ізотопів з масовими числами приблизно від 90 до 145, що виникають при розподілі цього ядра. Дві типові реакції розподілу цього ядра мають вигляд:

Зверніть увагу, що в результаті розподілу ядра, ініційованого нейтроном, виникають нові нейтрони, здатні викликати реакції розподілу інших ядер. Продуктами поділу ядер урану-235 можуть бути й інші ізотопи барію, ксенону, стронцію, рубідії і т.д.

Кінетична енергія, що виділяється при розподілі одного ядра урану, велика - близько 200 МеВ. Оцінку ядра енергії, що виділяє при розподілі, можна зробити за допомогою питомої енергії зв'язкунуклонів у ядрі. Питома енергія зв'язку нуклонів у ядрах з масовим числом A ≈ 240 близько 7,6 МеВ/нуклон, тоді як у ядрах з масовими числами A = 90–145 питома енергія приблизно дорівнює 8,5 МеВ/нуклон. Отже, при розподілі ядра урану звільняється енергія порядку 0,9 МеВ/нуклон або приблизно 210 МеВ на один атом урану. При повному розподілі всіх ядер, що містяться в 1 г урану, виділяється така сама енергія, як і при згорянні 3 т вугілля або 2,5 т нафти.

Продукти розподілу ядра урану нестабільні, оскільки у них міститься значне надмірне число нейтронів. Справді, відношення N/Z для найважчих ядер порядку 1,6 (рис. 9.6.2), для ядер із масовими числами від 90 до 145 це відношення порядку 1,3–1,4. Тому ядра-уламки відчувають серію послідовних β-розпадів, в результаті яких число протонів в ядрі збільшується, а число нейтронів зменшується до тих пір, поки не утворюється стабільне ядро.

При розподілі ядра урану-235, яке викликане зіткненням з нейтроном, звільняється 2 або 3 нейтрони. За сприятливих умов ці нейтрони можуть потрапити до інших ядрів урану і викликати їх поділ. На цьому етапі з'являться вже від 4 до 9 нейтронів, здатних викликати нові розпади ядер урану тощо. Такий лавиноподібний процес називається ланцюговою реакцією. Схема розвитку ланцюгової реакціїрозподілу ядер урану представлена ​​на рис. 9.8.1.

Рисунок 9.8.1. Схема розвитку ланцюгової реакції.

Для здійснення ланцюгової реакції необхідно, щоб так званий коефіцієнт розмноження нейтронівбув більше одиниці. Іншими словами, у кожному наступному поколінні нейтронів має бути більше, ніж у попередньому. Коефіцієнт розмноження визначається як числом нейтронів, які утворюються у кожному елементарному акті, а й умовами, у яких протікає реакція – частина нейтронів може поглинатися іншими ядрами чи виходити із зони реакції. Нейтрони, що звільнилися при розподілі ядер урану-235, здатні викликати розподіл лише ядер цього ж урану, частку якого в природному урані припадає лише 0,7%. Така концентрація виявляється недостатньою для початку ланцюгової реакції. Ізотоп також може поглинати нейтрони, але не виникає ланцюгової реакції.

Ланцюгова реакція в урані з підвищеним змістомурану-235 може розвиватися тільки тоді, коли маса урану перевершує так звану критичну масу.У невеликих шматках урану більшість нейтронів, не потрапивши в жодне ядро, вилітають назовні. Для чистого урану-235 критична маса становить близько 50 кг. Критичну масу урану можна у багато разів зменшити, якщо використати так звані сповільнювачінейтронів. Справа в тому, що нейтрони, що народжуються при розпаді ядер урану, мають дуже великі швидкості, а можливість захоплення повільних нейтронів ядрами урану-235 в сотні разів більша, ніж швидких. Найкращим уповільнювачем нейтронів є важка вода D 2 O. Звичайна вода при взаємодії з нейтронами сама перетворюється на важку воду.

Хорошим сповільнювачем є також графіт, ядра якого поглинають нейтронів. При пружній взаємодії з ядрами дейтерію чи вуглецю нейтрони сповільнюються до теплових швидкостей.

Застосування уповільнювачів нейтронів та спеціальної оболонки з берилію, що відображає нейтрони, дозволяє знизити критичну масу до 250 г.

В атомних бомбах ланцюгова некерована ядерна реакція виникає при швидкому з'єднаннідвох шматків урану-235, кожен з яких має масу дещо нижчу за критичну.

Пристрій, у якому підтримується керована реакція поділу ядер, називається ядерним(або атомним) реактором. Схема ядерного реакторана повільних нейтронах наведено на рис. 9.8.2.

Малюнок 9.8.2. Схема влаштування ядерного реактора.

Ядерна реакція протікає в активній зоні реактора, яка заповнена уповільнювачем і пронизана стрижнями, що містять збагачену суміш ізотопів урану з підвищеним вмістом урану-235 (до 3%). В активну зону вводяться регулюючі стрижні, що містять кадмій або бор, які інтенсивно поглинають нейтрони. Введення стрижнів у активну зону дозволяє керувати швидкістю ланцюгової реакції.

Активна зона охолоджується за допомогою теплоносія, що прокачується, в якості якого може застосовуватися вода або метал з низькою температурою плавлення (наприклад, натрій, що має температуру плавлення 98 °C). У парогенераторі теплоносій передає теплову енергіюводі, перетворюючи її на пару високого тиску. Пара прямує в турбіну, з'єднану з електрогенератором. З турбіни пара надходить у конденсатор. Щоб уникнути витоку радіації контури теплоносія I та парогенератора II працюють за замкнутими циклами.

Турбіна атомної електростанції є тепловою машиною, що визначає відповідно до другого закону термодинаміки загальну ефективність станції. У сучасних атомних електростанцій коефіцієнт корисної дії приблизно дорівнює Отже, для виробництва 1000 МВт електричної потужностітеплова потужність реактора має досягати 3000 МВт. 2000 МВт повинні виноситися водою, що охолоджує конденсатор. Це призводить до локального перегріву природних водойм та подальшого виникнення екологічних проблем.

Проте, Головна проблемаполягає у забезпеченні повної радіаційної безпеки людей, що працюють на атомних електростанціях, та запобіганні випадковим викидам радіоактивних речовин, які у великій кількості накопичуються в активній зоні реактора. При розробці ядерних реакторів цій проблемі приділяється велика увага. Проте, після аварій на деяких АЕС, зокрема на АЕС у Пенсільванії (США, 1979 р.) та на Чорнобильській АЕС (1986 р.), проблема безпеки ядерної енергетики постала з особливою гостротою.

Поряд із описаним вище ядерним реактором, що працює на повільних нейтронах, великий практичний інтерес представляють реактори, що працюють без уповільнення на швидких нейтронах. У таких реакторах ядерним пальним є збагачена суміш, що містить не менше 15 % ізотопу. можна використовувати як ядерне паливо:

Коефіцієнт відтворення таких реакторів досягає 1,5, тобто на 1 кг урану-235 виходить до 1,5 кг плутонію. У звичайних реакторах також утворюється плутоній, але у менших кількостях.

Перший ядерний реактор було побудовано 1942 року у США під керівництвом Еге. Фермі. У нашій країні перший реактор був побудований в 1946 під керівництвом І. В. Курчатова.

2. Термоядерні реакції. Другий шлях звільнення ядерної енергії пов'язані з реакціями синтезу. При злитті легких ядер та утворенні нового ядра має виділятися велика кількістьенергії. Це з кривої залежності питомої енергії зв'язку від масового числа A (рис. 9.6.1). Аж до ядер з масовим числом близько 60 питома енергія зв'язку нуклонів зростає зі збільшенням A. Тому синтез будь-якого ядра з A< 60 из более легких ядер должен сопровождаться выделением энергии. Общая масса продуктов реакции синтеза будет в этом случае меньше массы первоначальных частиц.

Реакції злиття легких ядер звуться термоядерних реакцій,оскільки вони можуть протікати лише за дуже високих температур. Щоб два ядра вступили в реакцію синтезу, вони повинні зблизитись на відстань дії ядерних сил близько 2 · 10 -15 м, подолавши електричне відштовхування їх позитивних зарядів. Для цього середня кінетична енергія теплового рухумолекул повинна перевершувати потенційну енергію кулонівської взаємодії. Розрахунок необхідної для цього температури T призводить до величини порядку 108-109К. Це надзвичайно висока температура. При такій температурі речовина знаходиться в повністю іонізованому стані, який називається плазмою.

Енергія, що виділяється при термоядерних реакціях, у розрахунку на один нуклон у кілька разів перевищує питому енергію, що виділяється у ланцюгових реакціях поділу ядер. Так, наприклад, у реакції злиття ядер дейтерію та тритію

виділяється 3,5 МеВ/нуклон. Загалом у цій реакції виділяється 17,6 МеВ. Це одна з найперспективніших термоядерних реакцій.

Здійснення керованих термоядерних реакційдасть людству нове екологічно чисте і практично невичерпне джерело енергії. Однак отримання надвисоких температур і утримання плазми, нагрітої до мільярда градусів, є найважчим науково-технічним завданням на шляху здійснення керованого термоядерного синтезу.

На даному етапірозвитку науки і техніки вдалося здійснити тільки некеровану реакцію синтезуу водневій бомбі. Висока температура, необхідна для ядерного синтезу, досягається за допомогою вибуху звичайної уранової або плутонієвої бомби.

Термоядерні реакції відіграють надзвичайно важливу роль в еволюції Всесвіту. Енергія випромінювання Сонця та зірок має термоядерне походження.

Радіоактивність

Майже 90% відомих 2500 атомних ядер нестабільні. Нестабільне ядро ​​мимовільно перетворюється на інші ядра з випромінюванням частинок. Ця властивість ядер називається радіоактивністю. У великих ядер нестабільність виникає внаслідок конкуренції між тяжінням нуклонів ядерними силами та кулонівським відштовхуванням протонів. Не існує стабільних ядер із зарядовим числом Z > 83 та масовим числом A > 209. Але радіоактивними можуть виявитися і ядра атомів із суттєво меншими значеннями чисел Z та A. Якщо ядро ​​містить значно більше протонів, ніж нейтронів, то нестабільність обумовлюється надлишком енергії кулонівської взаємодії . Ядра, які містили б надлишок нейтронів над числом протонів, виявляються нестабільними внаслідок того, що маса нейтрону перевищує масу протона. Збільшення маси ядра призводить до збільшення енергії.

Явище радіоактивності було відкрито у 1896 році французьким фізиком А. Беккерелем, який виявив, що солі урану випромінюють невідоме випромінювання, здатне проникати через непрозорі для світла перешкоди та викликати почорніння фотоемульсії. Через два роки французькі фізики М. та П. Кюрі виявили радіоактивність торію та відкрили два нові радіоактивні елементи – полоній та радій

У наступні роки дослідженням природи радіоактивних випромінювань займалося багато фізиків, у тому числі Е. Резерфорд та його учні. Було з'ясовано, що радіоактивні ядра можуть випускати частки трьох видів: позитивно та негативно заряджені та нейтральні. Ці три види випромінювань були названі α-, β- та γ-випромінюваннями. На рис. 9.7.1 зображено схему експерименту, що дозволяє виявити складний склад радіоактивного випромінювання. У магнітному полі α- і β-промені зазнають відхилень у протилежні сторони, причому β-промені відхиляються значно більше. γ-промені у магнітному полі взагалі не відхиляються.

Ці три види радіоактивних випромінювань сильно відрізняються один від одного за здатністю іонізувати атоми речовини і, отже, проникаючою здатністю. Найменшою проникною здатністю має α-випромінювання. У повітрі за нормальних умов α-промені проходять шлях у кілька сантиметрів. β-промені набагато менше поглинаються речовиною. Вони здатні пройти через шар алюмінію завтовшки кілька міліметрів. Найбільшу проникаючу здатність мають γ-промені, здатні проходити через шар свинцю товщиною 5-10 см.

У другому десятилітті XX століття після відкриття Е. Резерфордом ядерної будовиатомів було твердо встановлено, що радіоактивність – це властивість атомних ядер. Дослідження показали, що α-промені являють потік α-частинок – ядер гелію , β-промені – це потік електронів, γ-промені є короткохвильовим. електромагнітне випромінюванняз надзвичайно малою довжиною хвилі λ< 10 –10 м и вследствие этого – ярко выраженными корпускулярными свойствами, то есть является потоком частиц – γ-квантов.

Альфа-розпад. Альфа-розпадом називається мимовільне перетворення атомного ядра з числом протонів Z та нейтронів N на інше (дочірнє) ядро, що містить число протонів Z – 2 та нейтронів N – 2. При цьому випускається α-частка – ядро ​​атома гелію. Прикладом такого процесу може бути α-розпад радію:

Альфа-частинки, що випускаються ядрами атомів радію, використовувалися Резерфордом у дослідах з розсіювання на ядрах важких елементів. Швидкість α-часток, що випускаються при α-розпаді ядер радію, виміряна по кривизні траєкторії в магнітному полі, приблизно дорівнює 1,5 10 7 м/с, а відповідна кінетична енергія близько 7,5 10 -13 Дж (приблизно 4, 8 МеВ). Ця величина легко може бути визначена за відомим значенняммас материнського та дочірнього ядер та ядра гелію. Хоча швидкість α-частки, що вилітає, величезна, але вона все ж таки становить лише 5 % від швидкості світла, тому при розрахунку можна користуватися нерелятивістським виразом для кінетичної енергії.

Дослідження показали, що радіоактивна речовина може випромінювати α-частинки з декількома дискретними значеннями енергій. Це тим, що ядра можуть бути, подібно атомам, у різних збуджених станах. В одному з таких збуджених станів може бути дочірнє ядро ​​при α-розпаді. При наступному переході цього ядра в основний стан випромінюється γ-квант. Схема α-розпаду радію з випромінюванням α-часток із двома значеннями кінетичних енергій наведена на рис. 9.7.2.

Таким чином, α-розпад ядер у багатьох випадках супроводжується γ-випромінюванням.

Теоретично α-розпаду передбачається, що усередині ядер можуть утворюватися групи, що з двох протонів і двох нейтронів, тобто α-частка. Материнське ядро ​​є для α-часток потенційною ямою, яка обмежена потенційним бар'єром. Енергія α-частки в ядрі недостатня для подолання бар'єру (рис. 9.7.3). Виліт α-частинки з ядра виявляється можливим лише завдяки квантово-механічному явищу, яке називається тунельним ефектом. Згідно квантової механіки, існують відмінна від нуля можливість проходження частки під потенційним бар'єром. Явище тунелювання має імовірнісний характер.

Бета-розпад.При бета-розпаді з ядра вилітає електрон. Всередині ядер електрони існувати не можуть (див. § 9.5), вони виникають при β-розпаді внаслідок перетворення нейтрону на протон. Цей процес може відбуватися не лише всередині ядра, а й із вільними нейтронами. Середній час життя вільного нейтрону становить близько 15 хвилин. При розпаді нейтрон перетворюється на протон та електрон

Вимірювання показали, що в цьому процесі спостерігається порушення закону збереження енергії, так як сумарна енергія протона і електрона, що виникають при розпаді нейтрона, менше енергії нейтрона. У 1931 році Паулі висловив припущення, що при розпаді нейтрона виділяється ще одна частка з нульовими значеннями маси і заряду, яка забирає з собою частину енергії. Нова частка отримала назву нейтрино(маленький нейтрон). Через відсутність у нейтрино заряду та маси ця частка дуже слабо взаємодіє з атомами речовини, тому її надзвичайно важко виявити в експерименті. Іонізуюча здатність нейтрино настільки мала, що один акт іонізації у повітрі припадає приблизно на 500 км шляху. Ця частка була виявлена ​​лише 1953 р. Нині відомо, що є кілька різновидів нейтрино. У процесі розпаду нейтрону виникає частка, що називається електронним антинейтрино. Вона позначається символом Тому реакція розпаду нейтрона записується як

Аналогічний процес відбувається і всередині ядер при β-розпаді. Електрон, що утворюється в результаті розпаду одного з ядерних нейтронів, негайно викидається з «батьківського дому» (ядра) з величезною швидкістю, яка може відрізнятися від швидкості світла лише на відсотки. Оскільки розподіл енергії, що виділяється при β-розпаді, між електроном, нейтрино та дочірнім ядром носить випадковий характер, β-електрони можуть мати різні швидкості у широкому інтервалі.

При β-розпаді зарядове число Z збільшується на одиницю, а масове число A залишається постійним. Дочірнє ядро ​​виявляється ядром одного з ізотопів елемента, порядковий номер якого таблиці Менделєєва на одиницю перевищує порядковий номер вихідного ядра. Типовим прикладомβ-розпаду може служити перетворення ізотону торію, що виникає при α-розпаді урану в паладій

Гамма-розпад. На відміну від α- та β-радіоактивності γ-радіоактивність ядер не пов'язана зі зміною внутрішньої структури ядра і не супроводжується зміною зарядового чи масового чисел. Як при α-, так і при β-розпаді дочірнє ядро ​​може опинитися в деякому збудженому стані та мати надлишок енергії. Перехід ядра з збудженого стану в основне супроводжується випромінюванням одного або декількох γ-квантів, енергія яких може досягати кількох МеВ.

Закон радіоактивного розпаду. У кожному зразку радіоактивної речовини міститься безліч радіоактивних атомів. Оскільки радіоактивний розпад має випадковий характер і не залежить від зовнішніх умов, то закон зменшення кількості N(t) нерозпалися до даному моментучасу t ядер може бути важливою статистичною характеристикою процесу радіоактивного розпаду.

Нехай за малий проміжок часу Δt кількість ядер, що не розпалися, N(t) змінилася на ΔN< 0. Так как вероятность распада каждого ядра неизменна во времени, что число распадов будет пропорционально количеству ядер N(t) и промежутку времени Δt:

Коефіцієнт пропорційності λ – це можливість розпаду ядра за час Δt = 1 с. Ця формула означає, що швидкість зміни функції N(t) прямо пропорційна самій функції.

де N 0 - початкове число радіоактивних ядер при t = 0. За час τ = 1 / λ кількість ядер, що не розпалися, зменшиться в e ≈ 2,7 рази. Величину τ називають середнім часом життярадіоактивного ядра.

Для практичного використання закон радіоактивного розпаду зручно записати в іншому вигляді, використовуючи як підставу число 2, а не e:

Величина T називається періодом напіврозпаду. За час T розпадається половина первісної кількості радіоактивних ядер. Величини T та τ пов'язані співвідношенням

Період напіврозпаду – основна величина, що характеризує швидкість радіоактивного розпаду. Чим менший період напіврозпаду, тим інтенсивніше протікає розпад. Так, для урану T ≈ 4,5 млрд років, а для радію T ≈ 1600 років. Тому активність радію значно вища, ніж урану. Існують радіоактивні елементи з періодом напіврозпаду на частки секунди.

Не виявленого в природних умовах, і закінчується на вісмуті Ця серія радіоактивних розпадів виникає в ядерних реакторах.

Цікавим застосуваннямРадіоактивністю є метод датування археологічних та геологічних знахідок по концентрації радіоактивних ізотопів. Найчастіше використовується радіовуглецевий метод датування. Нестабільний ізотоп вуглецю виникає у атмосфері внаслідок ядерних реакцій, викликаних космічними променями. Невеликий відсоток цього ізотопу міститься у повітрі поряд із звичайним стабільним ізотопом Рослини та інші організми споживають вуглець з повітря, і в них накопичуються обидва ізотопи у тій же пропорції, як і у повітрі. Після загибелі рослин вони перестають споживати вуглець і нестабільний ізотоп у результаті β-розпаду поступово перетворюється на азот із періодом напіврозпаду 5730 років. Шляхом точного вимірувідносної концентрації радіоактивного вуглецю в останках давніх організмів можна визначити час їхньої загибелі.

Радіоактивне випромінювання всіх видів (альфа, бета, гама, нейтрони), а також електромагнітна радіація ( рентгенівське випромінювання) мають дуже сильний біологічний вплив на живі організми, який полягає в процесах збудження та іонізації атомів і молекул, що входять до складу живих клітин. Під дією іонізуючої радіації руйнуються складні молекули та клітинні структури, що призводить до променевого ураження організму. Тому при роботі з будь-яким джерелом радіації необхідно вживати всіх заходів щодо радіаційний захистлюдей, які можуть потрапити до зони дії випромінювання.

Проте людина може піддаватися дії іонізуючої радіації та у побутових умовах. Серйозну небезпеку здоров'ю людини може становити інертний, безбарвний, радіоактивний газ радон Як видно із схеми, зображеної на рис. 9.7.5 радон є продуктом α-розпаду радію і має період напіврозпаду T = 3,82 діб. Радій у невеликих кількостях міститься у ґрунті, у каменях, у різних будівельних конструкціях. Незважаючи на порівняно невеликий час життя, концентрація радону безперервно поповнюється за рахунок нових розпадів ядер радію, тому радон може накопичуватися в закритих приміщеннях. Потрапляючи в легені, радон випускає α-частинки і перетворюється на полоній, який не є хімічно інертною речовиною. Далі слідує ланцюг радіоактивних перетворень серії урану (рис. 9.7.5). За даними Американської комісії радіаційної безпеки та контролю, людина в середньому отримує 55% іонізуючої радіації за рахунок радону і лише 11% за рахунок медичних обслуговувань. Вклад космічних променів становить приблизно 8%. Загальна доза опромінення, яку отримує людина за життя, набагато менше гранично допустимої дози(ПДР), яка встановлюється для людей деяких професій, що зазнають додаткового опромінення іонізуючою радіацією.

Енергія E, що вивільняється при розподілі, зростає зі збільшенням Z 2 /A. Розмір Z 2 /A = 17 для 89 Y (ітрію). Тобто. розподіл енергетично вигідно всім ядер важче ітрію. Чому ж більшість ядер стійка до мимовільного поділу? Щоб відповісти на це питання, необхідно розглянути механізм розподілу.

У процесі розподілу відбувається зміна форми ядра. Ядро послідовно проходить через наступні стадії (рис. 7.1): куля, еліпсоїд, гантель, два грушоподібні уламки, два сферичні уламки. Як у своїй змінюється потенційна енергія ядра різних стадіях поділу?
Початкове ядро ​​зі збільшенням rнабуває форми все більш витягнутого еліпсоїда обертання. В цьому випадку внаслідок еволюції форми ядра зміна його потенційної енергії визначається зміною суми поверхневої та кулонівської енергій E п + E к. Поверхнева енергія при цьому зростає, оскільки збільшується площа поверхні ядра. Кулонівська енергія зменшується, оскільки збільшується середня відстань між протонами. Якщо при незначній деформації, що характеризується малим параметром, вихідне ядро ​​набуло форми аксіально симетричного еліпсоїда, поверхнева енергія E" п і кулонівська енергія E" як функції параметра деформації змінюються таким чином:

У співвідношеннях (7.4-7.5) Eп і Eк – поверхнева та кулонівська енергії вихідного сферично-симетричного ядра.
В області важких ядер 2E п > E до і сума поверхневої та кулонівської енергій зростає зі збільшенням. З (7.4) і (7.5) слід, що з малих деформаціях зростання поверхневої енергії перешкоджає подальшому зміні форми ядра, отже, і поділу.
Співвідношення (7.5) справедливе для малих деформацій. Якщо деформація настільки велика, що ядро ​​набуває форми гантелі, то поверхневі та кулонівські сили прагнуть розділити ядро ​​і надати уламкам сферичної форми. Таким чином, за поступового збільшення деформації ядра його потенційна енергія проходить через максимум. Графік зміни поверхневої та кулонівської енергій ядра в залежності від r показаний на рис. 7.2.

Наявність потенційного бар'єру перешкоджає миттєвому мимовільному поділу ядер. Для того щоб ядро ​​розділилося, йому необхідно повідомити енергію Q, що перевищує висоту бар'єру поділу H. Максимум потенційної енергії ядра E + H (наприклад золота), що ділиться, на два однакових осколка ≈ 173 МеВ, а величина енергії E, що звільняється при розподілі, дорівнює 132 Мэ . Таким чином, при розподілі ядра золота необхідно подолати потенційний бар'єр заввишки близько 40 МеВ.
Висота бар'єру розподілу H тим більше, чим менше відношення кулонівської та поверхневої енергії Е до /Е п у початковому ядрі. Це ставлення, своєю чергою, збільшується зі збільшенням параметра розподілу Z 2 /А (7.3). Чим важче ядро, тим менша висота бар'єру розподілу H, оскільки параметр розподілу у припущенні, що Z пропорційно A, збільшується зі зростанням масового числа:

Е к /Е п = (a 3 Z 2)/(a 2 A) ~ A.

(7.6)

Тому більш важким ядрам, як правило, потрібно повідомити меншу енергію, щоб викликати поділ ядра.
Висота бар'єру поділу перетворюється на нуль при 2E п – E к = 0 (7.5). В цьому випадку

2E п /E до = 2(a 2 A)/(a 3 Z 2),

Z 2 /A = 2a 2 /(a 3 Z 2) ≈ 49.

Таким чином, згідно з крапельною моделлю в природі не можуть існувати ядра з Z 2 /A > 49, так як вони повинні практично миттєво за характерний ядерний час порядку 10 -22 з мимовільно розділитися на два уламки. Залежності форми і висоти потенційного бар'єру H, і навіть енергії поділу від величини параметра Z 2 /A показано на рис. 7.3.

Рис. 7.3. Радіальна залежність форми та висоти потенційного бар'єру та енергії поділу E при різних величинах параметра Z 2 /A. На вертикальній осі відкладено величину E п + E к.

Мимовільне розподілення ядер з 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 років для 232 Th до 0,3 с для 260 Rf.
Вимушений розподіл ядер з 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.
Мінімальне значення енергії збудження складового ядра E *, що утворюється при захопленні нейтрона і енергії зв'язку нейтрона в цьому ядрі n . У таблиці 7.1 порівнюються висота бар'єру H і енергія зв'язку нейтрона n для ізотопів Th, U, Pu, що утворюються після захоплення нейтрона. Енергія зв'язку нейтрону залежить від кількості нейтронів у ядрі. За рахунок енергії парування енергія зв'язку парного нейтрона більше енергії зв'язку непарного нейтрона.

Таблиця 7.1

Висота бар'єру розподілу H, енергія зв'язку нейтрону ε n

Ізотоп	Висота бар'єру розподілу H, МеВ	Ізотоп	Енергія зв'язку нейтрону ε n
232 Th	5.9	233 Th	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

Характерною особливістюподілу є те, що уламки, як правило, мають різні маси. У разі найбільш ймовірного поділу 235 U відношення мас уламків в середньому дорівнює ~1.5. Розподіл за масами уламків розподілу 235 U тепловими нейтронами показано на рис. 7.4. Для найбільш ймовірного поділу важкий уламок має масове число 139, легкий – 95. Серед продуктів поділу є уламки з A = 72 – 161 і Z = 30 – 65. Імовірність поділу на два рівні по масі уламка не дорівнює нулю. При розподілі 235 U тепловими нейтронами ймовірність симетричного розподілу приблизно на три порядки менше, ніж у разі найбільш ймовірного розподілу на уламки з A = 139 та 95.
Асиметричний поділ пояснюється оболонковою структурою ядра. Ядро прагне розділитися таким чином, щоб основна частина нуклонів кожного уламка утворила найбільш стійкий магічний кістяк.
Відношення числа нейтронів до протонів в ядрі 235 U N/Z = 1.55, у той час як у стабільних ізотопів, що мають масове число, близьке до масового числа уламків, це відношення 1.25 - 1.45. Отже, уламки розподілу виявляються сильно перевантаженими нейтронами і мають бути
β – радіоактивні. Тому уламки розподілу відчувають послідовні β - -розпади, причому заряд первинного уламка може змінюватися на 4 - 6 одиниць. Нижче наведено характерний ланцюжок радіоактивних розпадів 97 Kr - одного з осколків, що утворюється при розподілі 235 U:

Порушення уламків, викликане порушенням співвідношення кількості протонів і нейтронів, характерного для стабільних ядер, знімається також за рахунок вилетіння миттєвих нейтронів поділу. Ці нейтрони випускаються осколками, що рухаються, за час, менший, ніж ~ 10 -14 с. У середньому в кожному акті розподілу випромінюється 2 - 3 миттєві нейтрони. Їхній енергетичний спектр безперервний з максимумом близько 1 МеВ. Середня енергія миттєвого нейтрона близька до 2 МеВ. Випускання більш ніж одного нейтрона, у кожному акті розподілу уможливлює отримання енергії за рахунок ланцюгової ядерної реакції розподілу.
При найбільш ймовірному розподілі 235 U тепловими нейтронами легкий уламок (A = 95) набуває кінетичної енергії ≈ 100 МеВ, а важкий (A = 139) – близько 67 МеВ. Таким чином, сумарна кінетична енергія уламків ≈ 167 МеВ. Повна енергія поділу у разі становить 200 МеВ. Таким чином, енергія, що залишилася (33 МеВ) розподіляється між іншими продуктами поділу (нейтрони, електрони і антинейтрино β - -розпаду осколків, γ-випромінювання осколків і продуктів їх розпаду). Розподіл енергії поділу між різними продуктами при розподілі 235 U тепловими нейтронами наведено в таблиці 7.2.

Таблиця 7.2

Розподіл енергії поділу 235 U тепловими нейтронами

Продукти ядерного поділу (ПЗД) є складною сумішшю більш ніж 200 радіоактивних ізотопів 36 елементів (від цинку до гадолінію). Більшість активності становлять короткоживучі радіонукліди. Так, через 7, через 49 і через 343 діб після вибуху активність ПЗД знижується відповідно в 10, 100 та 1000 разів у порівнянні з активністю через годину після вибуху. Вихід найбільш біологічно значимих радіонуклідів наведено у таблиці 7.3. Крім ПЯД радіоактивне забруднення обумовлено радіонуклідами наведеної активності (3 H, 14 C, 28 Al, 24 Nа, 56 Mn, 59 Fe, 60 C та ін) і нерозділеною частиною урану і плутонію. Особливо велика роль наведеної активності при термоядерних вибухах.

Таблиця 7.3

Вихід деяких продуктів поділу при ядерному вибуху

Радіонуклід	Період напіврозпаду	Вихід на один поділ, %	Активність на 1 Мт, 10 15 Бк
89 Sr	50.5 діб.	2.56	590
90 Sr	29.12 років	3.5	3.9
95 Zr	65 діб.	5.07	920
103 Ru	41 добу.	5.2	1500
106 Ru	365 діб.	2.44	78
131 I	8.05 діб.	2.9	4200
136 Cs	13.2 добу.	0.036	32
137 Cs	30 років	5.57	5.9
140 Ba	12.8 діб.	5.18	4700
141 Cs	32.5 діб.	4.58	1600
144 Cs	288 діб.	4.69	190
3 H	12.3 років	0.01	2.6 · 10 -2

При ядерних вибухах у атмосфері значна частина опадів (при наземних вибухах до 50%) випадає поблизу району випробувань. Частина радіоактивних речовин затримується в нижній частині атмосфери і під дією вітру переміщається на великі відстані, залишаючись приблизно на одній широті. Перебуваючи у повітрі приблизно місяць, радіоактивні речовини під час цього переміщення поступово випадають Землю. Більшість радіонуклідів викидається в стратосферу (на висоту 10÷15 км), де відбувається їх глобальне розсіювання і значною мірою розпад.
Високу активність протягом десятків років мають різні елементи конструкції ядерних реакторів (таблиця 7.4)

Таблиця 7.4

Значення питомої активності (Бк/т урану) основних продуктів поділу в тепловиділяючих елементах, вилучених з реактора після трирічної експлуатації

Радіонуклід	0	1 добу.	120 діб.	1 рік		10 років
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
89 Sr	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
95 Nb	7. 23· 10 16	7. 23· 10 16	3. 57· 10 16	3. 03· 10 15	1. 14· 10 12
103 Ru	7. 08· 10 16	6. 95· 10 16	8. 55· 10 15	1. 14· 10 14	2. 97· 10 8
106 Ru	2. 37· 10 16	2. 37· 10 16	1. 89· 10 16	1. 19· 10 16	3. 02· 10 15	2. 46· 10 13
131 I	4. 49· 10 16	4. 19· 10 16	1. 5· 10 12	1. 01· 10 3
134 Cs	7. 50· 10 15	7. 50· 10 15	6. 71· 10 15	5. 36· 10 15	2. 73· 10 15	2. 6· 10 14
137 Cs	4. 69· 10 15	4. 69· 10 15	4. 65· 10 15	4. 58· 10 15	4. 38· 10 15	3. 73· 10 15
140 Ba	7. 93· 10 16	7. 51· 10 16	1. 19· 10 14	2. 03· 10 8
140 La	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 Pm	6. 77· 10 16	6. 70· 10 16	1. 65· 10 14	6. 11· 10 8
147 Pm	7. 05 · 10 15	7. 05· 10 15	6. 78· 10 15	5. 68· 10 15	3. 35· 10 14

Поділ ядер урану під час бомбардування їх нейтронами було відкрито 1939 р. німецькими вченими Отто Ганом і Фріцем Штрассманом.

Oттo Ган (1879-1968)
Німецький фізик, учений-новатор у галузі радіохімії. Відкрив розщеплення урану, ряд радіоактивних елементів

Фріц Штрассман (1902-1980)
Німецький фізик та хімік. Роботи відносяться до ядерної хімії, ядерного поділу. Надав хімічний доказ процесу розподілу

Розглянемо механізм цього явища. На малюнку 162 а умовно зображено ядро ​​атома урану . Поглинувши зайвий нейтрон, ядро ​​порушується і деформується, набуваючи витягнутої форми (рис. 162, б).

Рис. 162. Процес розподілу ядра урану під впливом нейтрона, що потрапив до нього.

Ви вже знаєте, що в ядрі діє два види сил: електростатичні сили відштовхування між протонами, які прагнуть розірвати ядро, та ядерні сили тяжіння між усіма нуклонами, завдяки яким ядро ​​не розпадається. Але ядерні сили - короткодіючі, у витягнутому ядрі вони не можуть утримати сильно віддалені друг від друга частини ядра. Під дією електростатичних сил відштовхування ядро ​​розривається на дві частини (рис. 162 в), які розлітаються в різні боки з величезною швидкістю і випромінюють при цьому 2-3 нейтрони.

Виходить, що частина внутрішньої енергії ядра переходить в кінетичну енергію осколків і частинок, що розлітаються. Осколки швидко гальмуються в навколишньому середовищі, внаслідок чого їхня кінетична енергія перетворюється на внутрішню енергію середовища (тобто в енергію взаємодії та теплового руху складових її частинок).

При одночасному розподілі великої кількості ядер урану внутрішня енергіянавколишнього уран середовища та відповідно її температура помітно зростають (тобто середовище нагрівається).

Таким чином, реакція поділу ядер урану йде з виділенням енергії в навколишнє середовище.

Енергія, що у ядрах атомів, колосальна. Наприклад, при повному розподілі всіх ядер, що є в 1 г урану, виділилося б стільки ж енергії, скільки виділяється при згорянні 2,5 т нафти. Для перетворення внутрішньої енергії атомних ядер на електричну на атомних електростанціях використовують так звані ланцюгові реакції розподілу ядер.

Розглянемо механізм протікання ланцюгової реакції розподілу ядра ізотопу урану. Ядро атома урану (рис. 163) у результаті захоплення нейтрону розділилося на дві частини, випромінювши при цьому три нейтрони. Два з цих нейтронів викликали реакцію поділу ще двох ядер, при цьому утворилося вже чотири нейтрони. Ці, своєю чергою, викликали розподіл чотирьох ядер, після чого утворилося дев'ять нейтронів тощо.

Ланцюгова реакція можлива завдяки тому, що при розподілі кожного ядра утворюється 2-3 нейтрони, які можуть брати участь у розподілі інших ядер.

На малюнку 163 показана схема ланцюгової реакції, за якої загальне числовільних нейтронів у шматку урану лавиноподібно збільшується з часом. Відповідно різко зростає кількість поділів ядер та енергія, що виділяється в одиницю часу. Тому така реакція має вибуховий характер (вона протікає в атомній бомбі).

Рис. 163. Ланцюгова реакція поділу ядер урану

Можливий інший варіант, коли кількість вільних нейтронів зменшується з часом. І тут ланцюгова реакція припиняється. Отже, таку реакцію теж не можна використовуватиме електроенергії.

У мирних цілях можна використовувати енергію тільки такої ланцюгової реакції, в якій кількість нейтронів не змінюється з часом.

Як же домогтися, щоб кількість нейтронів постійно залишалося постійним? Для вирішення цієї проблеми потрібно знати, які фактори впливають на збільшення та зменшення загальної кількості вільних нейтронів у шматку урану, в якому протікає ланцюгова реакція.

Одним із таких факторів є маса урану. Справа в тому, що не кожен нейтрон, випромінюваний при розподілі ядра, викликає розподіл інших ядер (див. рис. 163). Якщо маса (і відповідно розміри) шматка урану занадто мала, багато нейтрони вилетять його межі, не встигнувши зустріти своєму шляху ядро, викликати його розподіл і породити в такий спосіб нове покоління нейтронів, необхідні продовження реакції. І тут ланцюгова реакція припиниться. Щоб реакція не припинялася, потрібно збільшити масу урану. певного значеннязваного критичним.

Чому при збільшенні маси ланцюгова реакція стає можливою? Чим більша маса шматка, тим більші його розміри і тим довший шлях, який проходять у ньому нейтрони. При цьому ймовірність зустрічі нейтронів із ядрами зростає. Відповідно збільшується кількість поділів ядер і кількість нейтронів, що випромінюються.

При критичній масі урану число нейтронів, що з'явилися під час поділу ядер, стає рівним числу втрачених нейтронів (тобто захоплених ядрами без поділу і тих, що вилетіли за межі шматка).

Тому загальна кількість залишається незмінним. При цьому ланцюгова реакція може йти тривалий час, не припиняючись і не набуваючи вибухового характеру

• Найменша маса урану, при якій можливе протікання ланцюгової реакції, називається критичною масою

Якщо маса урану більше критичної, то результаті різкого збільшення кількості вільних нейтронів ланцюгова реакція призводить до вибуху, і якщо менше критичної, то реакція не протікає через нестачу вільних нейтронів.

Зменшити втрату нейтронів (які вилітають з урану, не прореагувавши з ядрами) можна не тільки за рахунок збільшення маси урану, але й за допомогою спеціальної оболонки, що відбиває. Для цього шматок урану поміщають в оболонку, зроблену з речовини, що добре відображає нейтрони (наприклад, берилію). Відбиваючись від цієї оболонки, нейтрони повертаються в уран і можуть брати участь у розподілі ядер.

Існує ще кілька чинників, яких залежить можливість протікання ланцюгової реакції. Наприклад, якщо шматок урану містить дуже багато домішок інших хімічних елементів, то вони поглинають більшу частину нейтронів і реакція припиняється.

Наявність в урані так званого уповільнювача нейтронів також впливає перебіг реакції. Справа в тому, що ядра урану-235 з найбільшою ймовірністю діляться під дією повільних нейтронів. А при розподілі ядер утворюються швидкі нейтрони. Якщо швидкі нейтрони уповільнити, то більшість їх захопиться ядрами урану-235 з наступним розподілом цих ядер. Як сповільнювачі використовуються такі речовини, як графіт, вода, важка вода (до складу якої входить дейтерій - ізотоп водню з масовим числом 2), та деякі інші. Ці речовини лише уповільнюють нейтрони, майже не поглинаючи їх.

Таким чином, можливість протікання ланцюгової реакції визначається масою урану, кількістю домішок у ньому, наявністю оболонки та сповільнювача та деякими іншими факторами.

Критична маса кулястого шматка урану-235 приблизно дорівнює 50 кг. При цьому його радіус становить лише 9 см, оскільки уран має дуже велику густину.

Застосовуючи сповільнювач і відбиває оболонку і зменшуючи кількість домішок, вдається знизити критичну масу урану до 0,8 кг.

Запитання

1. Чому розподіл ядра може розпочатися лише тоді, коли воно деформується під дією поглиненого ним нейтрона?
2. Що утворюється внаслідок розподілу ядра?
3. У яку енергію переходить частина внутрішньої енергії ядра за його розподілі; кінетична енергія уламків ядра урану при їх гальмуванні у навколишньому середовищі?
4. Як іде реакція поділу ядер урану - із виділенням енергії у навколишнє середовище чи, навпаки, із поглинанням енергії?
5. Розкажіть про механізм протікання ланцюгової реакції, використовуючи рисунок 163.
6. Що називається критичною масою урану?
7. Чи можливе перебіг ланцюгової реакції, якщо маса урану менше критичної; більше критичної? Чому?

>> Розподіл ядер урану

§ 107 ПОДІЛ ЯДЕР УРАНУ

Ділитись на частини можуть лише ядра деяких важких елементів. При розподілі ядер випромінюються два-три нейтрони і промені. Одночасно виділяється велика енергія.

Відкриття поділу урану.Поділ ядер урану було відкрито 1938 р. німецькими вченими О. Ганом іФ. Штрассманом. Вони встановили, що при бомбардуванні урану нейтронами виникають елементи середньої частини періодичної системи: барій, криптон та ін. Проте правильне тлумачення цього факту саме як поділу ядра урану, що захопив нейтрон, було дано на початку 1939 р. англійським фізиком О. Фрішем спільно з ав. фізиком Л. Мейтнер.

Захоплення нейтрона порушує стабільність ядра. Ядро збуджується і стає нестійким, що призводить до його поділу на уламки. Поділ ядра можливе тому, що маса спокою важкого ядра більша за суму мас спокою осколків, що виникають при розподілі. Тому відбувається виділення енергії, еквівалентної зменшення маси спокою, що супроводжує поділ.

Можливість поділу важких ядер можна пояснити за допомогою графіка залежності питомої енергії зв'язку від масового числа А (див. рис. 13.11). Питома енергія зв'язку ядер атомів елементів, що займають періодичну систему останні місця(А 200), приблизно на 1 МеВ менше питомої енергії зв'язку в ядрах елементів, що знаходяться в середині періодичної системи (А 100). Тому процес розподілу важких ядер на ядра елементів середньої частини періодичної системи є енергетично вигідним. Система після розподілу переходить у стан із мінімальною внутрішньою енергією. Адже, чим більша енергія зв'язку ядра, тим більша енергія повинна виділятися на виникненні ядра і, отже, тим менша внутрішня енергія нової системи.

При розподілі ядра енергія зв'язку, що припадає на кожен нуклон, збільшується на 1 МеВ і загальна енергія, що виділяється, повинна бути величезною - близько 200 МеВ. При жодній іншій ядерної реакції(Не пов'язаної з розподілом) таких великих енергій не виділяється.

Безпосередні вимірювання енергії, що виділяється при розподілі ядра урану, підтвердили наведені міркування і дали значення200 МеВ. Причому більша частина цієї енергії (168 МеВ) посідає кінетичну енергію уламків. На малюнку 13.13 ви бачите треки осколків урану, що ділиться в камері Вільсона.

Виділяється при розподілі ядра енергія має електростатичне, а чи не ядерне походження. Велика кінетична енергія, яку мають уламки, виникає внаслідок їх кулоновського відштовхування.

Механізм розподілу ядра.Процес поділу атомного ядра можна пояснити на основі краплинної моделі ядра. Відповідно до цієї моделі згусток нуклонів нагадує крапельку зарядженої рідини (рис. 13.14 а). Ядерні сили між нуклонами є короткодіючими, подібно до сил, що діють між молекулами рідини. Поряд з великими силами електростатичного відштовхування між протонами, що прагнуть розірвати ядро ​​на частини, діють ще більші ядерні сили тяжіння. Ці сили утримують ядро ​​від розпаду.

Ядро урану-235 має форму кулі. Поглинувши зайвий нейтрон, воно збуджується і починає деформуватися, набуваючи витягнутої форми (рис. 13.14, б). Ядро розтягуватиметься доти, доки сили відштовхування між половинками витягнутого ядра не почнуть переважати над силами тяжіння, що діють у перешийку (рис. 13.14, в). Після цього воно розривається на дві частини (рис. 1314 г).

Під дією кулонівських сил відштовхування ці уламки розлітаються зі швидкістю, що дорівнює 1/30 швидкості світла.

Випускання нейтронів у процесі розподілу.Фундаментальний факт ядерного розподілу - випромінювання у процесі розподілу двох-трьох нейтронів. Саме завдяки цьому виявилося можливим практичне використаннявнутрішньоядерної енергії.

Зрозуміти, чому відбувається випромінювання вільних нейтронів, можна виходячи з таких міркувань. Відомо, що відношення числа нейтронів до протонів у стабільних ядрах зростає з підвищенням атомного номера. Тому у осколків, що виникають при розподілі, відносне число нейтронів виявляється більшим, ніж це допустимо для ядер атомів, що знаходяться в середині таблиці Менделєєва. Через війну кілька нейтронів звільняється у процесі поділу. Їхня енергія має різні значення- від кількох мільйонів електрон-вольт до дуже малих, близьких до нуля.

Поділ зазвичай відбувається на уламки, маси яких відрізняються приблизно в 1,5 рази. Уламки ці сильно радіоактивні, оскільки містять надмірну кількість нейтронів. В результаті серії послідовних розпадів врешті-решт виходять стабільні ізотопи.

На закінчення зазначимо, що є також спонтанне розподіл ядер урану. Воно було відкрито радянськими фізиками Г. Н. Флеровим та К. А. Петржаком у 1940 р. Період напіврозпаду для спонтанного поділу дорівнює 10 16 років. Це в два мільйони разів більше періоду напіврозпаду при розпаді урану.

Реакція поділу ядер супроводжується виділенням енергії.

Зміст уроку конспект урокуопорний каркас презентація уроку акселеративні методи інтерактивні технології Практика завдання та вправи самоперевірка практикуми, тренінги, кейси, квести домашні завдання дискусійні питання риторичні питання від учнів Ілюстрації аудіо-, відеокліпи та мультимедіафотографії, картинки графіки, таблиці, схеми гумор, анекдоти, приколи, комікси притчі, приказки, кросворди, цитати Доповнення рефератистатті фішки для допитливих шпаргалки підручники основні та додаткові словник термінів інші Вдосконалення підручників та уроківвиправлення помилок у підручникуоновлення фрагмента у підручнику елементи новаторства на уроці заміна застарілих знань новими Тільки для вчителів ідеальні уроки календарний планна рік методичні рекомендаціїпрограми обговорення Інтегровані уроки

У 1934 р. Е. Фермі вирішив отримати трансуранові елементи, опромінюючи 238 U нейтронами. Ідея Е. Фермі полягала в тому, що в результаті β-розпаду ізотопу 239 U утворюється хімічний елементз порядковим номером Z = 93. Однак ідентифікувати утворення 93 елемента не вдавалося. Натомість у результаті радіохімічного аналізу радіоактивних елементів, виконаного О.Ганом та Ф.Штрассманом, було показано, що одним із продуктів опромінення урану нейтронами є барій (Z = 56) – хімічний елемент середньої атомної ваги, у той час як згідно з припущенням теорії Фермі мали виходити трансуранові елементи.
Л. Мейтнер та О. Фріш висловили припущення, що внаслідок захоплення нейтрона ядром урану відбувається розвал складеного ядра на дві частини

92 U + n → 56 Ba + 36 Kr + xn.

Процес поділу урану супроводжується появою вторинних нейтронів (x > 1), здатних викликати поділ інших ядер урану, що відкриває потенційну можливість виникнення ланцюгової реакції поділу – один нейтрон може дати початок розгалуженому ланцюжку поділів ядер урану. При цьому кількість ядер, що розділилися, має зростати експоненційно. Н. Бор та Дж. Уіллер розрахували критичну енергію необхідну, щоб ядро ​​236 U, що утворилося в результаті захоплення нейтрона ізотопом 235 U, розділилося. Ця величина дорівнює 6,2 МеВ, що менше енергії збудження ізотопу 236 U, що утворюється при захопленні теплового нейтрону 235 U. Тому при захопленні теплових нейтронів можлива ланцюгова реакція поділу 235 U. Для найбільш поширеного ізотопу 238 U критична енергія у той час як при захопленні теплового нейтрона енергія збудження ядра, що утворився, 239 U становить тільки 5,2 МеВ. Тому ланцюгова реакція поділу найбільш поширеного в природі ізотопу 238 U під дією теплових нейтронів виявляється неможливою. В одному акті поділу вивільняється енергія ≈ 200 МеВ (для порівняння хімічних реакціяхгоріння в одному акті реакції виділяється енергія ≈ 10 еВ). Можливості створення умов для ланцюгової реакції розподілу відкрили перспективи використання енергії ланцюгової реакції для створення атомних реакторів та атомної зброї. Перший ядерний реактор був побудований Е.Фермі в США в 1942 р. У СРСР перший ядерний реактор був запущений під керівництвом І.Курчатова в 1946 р. У 1954 р. в Обнінську почала працювати перша у світі атомна електростанція. В даний час електрична енергія виробляється приблизно у 440 ядерних реакторах у 30 країнах світу.
У 1940 р. Г.Флеров і К.Петржак відкрили спонтанний поділ урану. Про складність проведення експерименту свідчать такі цифри. Парціальний період напіврозпаду по відношенню до спонтанного поділу ізотопу 238 U становить 10 16 -10 17 років, у той час як період розпаду ізотопу 238 U становить 4.5 10 9 років. Основним каналом розпаду ізотопу 238 U є α-розпад. Для того, щоб спостерігати спонтанне поділ ізотопу 238 U, потрібно було реєструвати один акт поділу на фоні 107-108 актів α-розпаду.
Імовірність спонтанного поділу переважно визначається проникністю бар'єру поділу. Імовірність спонтанного поділу збільшується зі збільшенням заряду ядра, т.к. при цьому збільшується параметр розподілу Z2/A. В ізотопах Z< 92-95 деление происходит преимущественно с образованием двух осколков деления с отношением масс тяжёлого и лёгкого осколков 3:2. В изотопах Z >100 переважає симетричний поділ з утворенням однакових за масою уламків. Зі збільшенням заряду ядра частка спонтанного поділу порівняно з α-розпадом збільшується.

Ізотоп	Період напіврозпаду	Канали розпаду
235 U	7.04·10 8 років	α (100%), SF (7 · 10 -9%)
238 U	4.47·10 9 років	α (100%), SF (5.5 · 10 -5%)
240 Pu	6.56·10 3 років	α (100%), SF (5.7 · 10 -6%)
242 Pu	3.75·10 5 років	α (100%), SF (5.5·10 -4 %)
246 Cm	4.76·10 3 років	α (99,97%), SF (0.03%)
252 Cf	2.64 років	α (96,91%), SF (3.09%)
254 Cf	60.5 років	α (0,31%), SF (99.69%)
256 Cf	12.3 років	α (7.04·10 -8 %), SF (100%)

Поділ ядер. Історія

1934 р.− Е. Фермі, опромінюючи уран тепловими нейтронами, виявив серед продуктів реакції радіоактивні ядра, природу яких встановити не вдалося.
Л. Сціллард висунув ідею ланцюгової ядерної реакції.

1939 р.− О. Ган та Ф. Штрассман виявили серед продуктів реакцій барій.
Л. Мейтнер і О. Фріш вперше оголосили, що під дією нейтронів відбувалося поділ урану на два порівняні за масою уламки.
Н. Бор та Дж. Уілер дали кількісну інтерпретацію поділу ядра, ввівши параметр поділу.
Я. Френкель розвинув краплинну теорію розподілу ядер повільними нейтронами.
Л. Сціллард, Е. Вігнер, Е. Фермі, Дж. Вілер, Ф. Жоліо-Кюрі, Я. Зельдович, Ю. Харітон обґрунтували можливість протікання в урані ланцюгової ядерної реакції розподілу.

1940 р.− Г. Флеров та К. Петржак відкрили явище спонтанного поділу ядер урану U.

1942 р.− Е. Фермі здійснив керовану ланцюгову реакцію поділу в першому атомному реакторі.

1945 р.− Перше випробування ядерної зброї (штат Невада, США). На японські міста Хіросіма (6 серпня) та Нагасакі (9 серпня) американськими військами було скинуто атомні бомби.

1946 р.− Під керівництвом І.В. Курчатова було пущено перший у Європі реактор.

1954 р.− Запущено першу у світі атомну електростанцію (м. Обнінськ, СРСР).

Поділ ядер.З 1934 р. Е.Фермі став застосовувати нейтрони для бомбардування атомів. З того часу кількість стійких або радіоактивних ядер, отриманих шляхом штучного перетворення, зросла до багатьох сотень, і майже всі місця періодичної системи заповнилися ізотопами.
Атоми, що виникають у всіх цих ядерних реакціях, займали в періодичній системі те саме місце, що бомбардований атом, або сусідні місця. Тому справило велику сенсацію доказ Ганом та Штрассманом у 1938 р. того, що при обстрілі нейтронами останнього елемента періодичної системи−урану−відбувається розпад на елементи, які у середніх частинах періодичної системи. Тут виступають різні видирозпаду. Виникаючі атоми здебільшого нестійкі і відразу ж розпадаються далі; у деяких часів напіврозпаду вимірюється секундами, так що Ган повинен був застосувати аналітичний методКюрі для продовження такого швидкого процесу. Важливо, що елементи, протактиній і торій, що стоять перед ураном, також виявляють подібний розпад під дією нейтронів, хоча для того, щоб розпад почався, потрібна більш висока енергія нейтронів, ніж у випадку урану. Поруч із 1940 р. Р. М. Флеров і К. А. Петржак виявили спонтанне розщеплення уранового ядра з найбільшим із відомих доти періодом напіврозпаду: близько 2· 10 15 років; цей факт стає явним завдяки нейтронам, що при цьому звільняються. Так з'явилася можливість зрозуміти, чому «природна» періодична система закінчується трьома названими елементами. Тепер стали відомі трансуранові елементи, але вони настільки нестійкі, що швидко розпадаються.
Розщеплення урану за допомогою нейтронів дає тепер можливість використання атомної енергії, яке вже багатьом мерехтіло, як «мрія Жюля Верна».

М. Лауе, "Історія фізики"

1939 р. О. Ган та Ф. Штрассман, опромінюючи солі урану тепловими нейтронами, виявили серед продуктів реакції барій (Z = 56)

Отто Ганн (1879 – 1968)

Поділ ядер - розщеплення ядра на два (рідше три) ядра з близькими масами, які називають уламками розподілу. При розподілі виникають інші частинки – нейтрони, електрони, α-частинки. Через війну розподілу вивільняється енергія ~200 МеВ. Поділ то, можливо спонтанним чи змушеним під впливом інших частинок, найчастіше нейтронів.
Характерною особливістю розподілу і те, що уламки розподілу, зазвичай, істотно різняться за масами, т. е. переважає асиметричне розподіл. Так, у разі найбільш ймовірного поділу ізотопу урану 236 U, відношення мас уламків дорівнює 1.46. Тяжкий уламок має при цьому масове число 139 (ксенон), а легкий – 95 (стронцій). З урахуванням випромінювання двох миттєвих нейтронів розглянута реакція поділу має вигляд

Нобелівська премія з хімії
1944 р. – О. Ган.
Відкриття реакції поділу ядер урану нейтронами.

Уламки розподілу

Залежність середніх мас легкої і важкої груп уламків від маси ядра, що ділиться.

Відкриття поділу ядер. 1939 р.

Я приїхав до Швеції, де Лізе Мейтнер страждала від самотності, і я, як відданий племінник, вирішив відвідати її на різдво. Вона жила в маленькому готелі Кунгельв біля Гетеборга. Я застав її за сніданком. Вона обмірковувала листа, щойно отриманий нею від Гана. Я був дуже скептично налаштований щодо змісту листа, в якому повідомлялося про утворення барію при опроміненні урану нейтронами. Проте її привабила така можливість. Ми гуляли снігом, вона пішки, я на лижах (вона сказала, що може пройти цей шлях, не відставши від мене, і довела це). До кінця прогулянки ми могли сформулювати деякі висновки; ядро не розколювалося, і від нього не відлітали шматки, а це був процес, що швидше нагадував краплинну модель ядра Бора; подібно до краплі ядро ​​могло подовжуватися і ділитися. Потім я досліджував, яким чином електричний заряднуклонів зменшує поверхневий натяг, який, як мені вдалося встановити, падає до нуля за Z = 100 і, можливо, дуже мало для урану. Лізе Мейтнер займалася визначенням енергії, що виділяється при кожному розпаді через дефект маси. Вона дуже ясно уявляла собі криву дефект мас. Виявилося, що за рахунок електростатичного відштовхування елементи розподілу придбали б енергію близько 200 МеВ, а це відповідало енергії, пов'язаної з дефектом маси. Тому процес міг йти суто класично без залучення поняття проходження через потенційний бар'єр, яке, звичайно, виявилося б тут марним.
Ми провели разом два чи три дні на різдво. Потім я повернувся до Копенгагена і ледве встиг повідомити Бору про нашу ідею в той самий момент, коли він уже сідав на пароплав, що вирушає до США. Я пам'ятаю, як він ляснув себе по лобі, тільки-но почав говорити, і вигукнув: «О, які ми були дурні! Ми мали помітити це раніше». Але він не помітив і ніхто не помітив.
Ми з Лізою Мейтнер написали статтю. При цьому ми постійно підтримували зв'язок міжміського телефону Копенгаген – Стокгольм.

О. Фріш, Спогади. УФН. 1968. Т. 96, вип.4, с. 697.

Спонтанний поділ ядер

В наведених нижче дослідах ми використовували метод, вперше запропонований Фрішем для реєстрації процесів поділу ядер. Іонізаційна камера з пластинами, покритими шаром окису урану, з'єднується з лінійним підсилювачем, налаштованим таким чином, що частинки, що вилітають з урану, не реєструються системою; імпульси ж від уламків, що набагато перевищують за величиною імпульси від α-часток, відмикають вихідний тиратрон і вважаються механічним реле.
Була спеціально сконструйована іонізаційна камера у вигляді багатошарового плоского конденсатора. загальною площею 15 пластин 1000 см. Пластини, розташовані один від одного на відстані 3 мм, були покриті шаром окису урану 10-20 мг/см 2 .
У перших же дослідах з налаштованим для рахунку уламків підсилювачем вдалося спостерігати мимовільні (без джерела нейтронів) імпульси на реле і осцилографі. Число цих імпульсів було невеликим (6 в 1 годину), і цілком зрозуміло тому, що це явище не могло спостерігатися з камерами звичайного типу.
Ми схильні думати, що спостережуваний нами ефект слід приписати осколкам, які у результаті спонтанного поділу урану…

Спонтанний поділ слід приписати одному з збуджених ізотопів U з періодами напіврозпаду, отриманими з оцінки наших результатів:

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

Розпад ізотопу 238 U

Спонтанний поділ ядер

Періоди напіврозпаду ізотопів, що спонтанно діляться Z = 92 - 100

Перша експериментальна система з уран-графітовою решіткою була побудована в 1941 під керівництвом Е. Фермі. Вона була графітовим кубом з ребром довжиною 2,5 м, що містить близько 7 т окису урану, укладеного в залізні судини, які були розміщені в кубі на однакових відстанях один від одного. На дні уран-графітових ґрат був поміщений RaBe джерело нейтронів. Коефіцієнт розмноження у такій системі був 0.7. Окис урану містив від 2 до 5% домішок. Подальші зусилля були спрямовані на отримання більш чистих матеріаліві до травня 1942 був отриманий окис урану, в якій домішка становила менше 1%. Щоб забезпечити ланцюгову реакцію розподілу, необхідно було використовувати велику кількість графіту і урану – близько кількох тонн. Домішки мали становити менше кількох мільйонних часток. Реактор, зібраний до кінця 1942 р. Фермі в університеті Чикаго, мав форму зрізаного зверху неповного сфероїда. Він містив 40 т урану та 385 т графіту. Увечері 2 грудня 1942 р. після того, як було прибрано стрижні нейтронного поглинача, було виявлено, що всередині реактора відбувається ланцюгова ядерна реакція. Виміряний коефіцієнт становив 1.0006. Спочатку реактор працював лише на рівні потужності 0.5 Вт. До 12 грудня його потужність було збільшено до 200 Вт. Надалі реактор був перенесений у більш безпечне місце, і його потужність була підвищена до кількох кВт. У цьому реактор споживав 0.002 р урану-235 щодня.

Перший ядерний реактор у СРСР

Будівля для першого в СРСР дослідницького ядерного реактора Ф-1 була готова до червня 1946 року.
Після того як було проведено всі необхідні експерименти, розроблено систему управління та захисту реактора, встановлено розміри реактора, проведено всі необхідні досліди з моделями реактора, визначено щільність нейтронів на декількох моделях, отримано графітові блоки (так звану ядерну чистоту) та (після нейтронно-фізичної) перевірки) уранові блочки, у листопаді 1946 р. розпочали спорудження реактора Ф-1.
Загальний радіус реактора був 3,8 м. Для нього знадобилося 400 т графіту та 45 т урану. Реактор збирали шарами і о 15 год 25 грудня 1946 був зібраний останній, 62-й шар. Після вилучення про аварійних стрижнів було зроблено підйом регулюючого стрижня, почався відлік щільності нейтронів, й у 18 год 25 грудня 1946 р. ожив, запрацював перший у СРСР реактор. Це була хвилююча перемога вчених - творців ядерного реактора та всього радянського народу. А через півтора роки, 10 червня 1948 р., промисловий реактор з водою в каналах досяг критичного стану і незабаром розпочалося промислове виробництво нового виду ядерного пального – плутонію.