На що поділяється ядро. Поділ ядер

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 елемент з порядковим номером Z = 93. Однак ідентифікувати утворення 93-го елемента не вдавалося. Натомість в результаті радіохімічного аналізу радіоактивних елементів, виконаного О.Ганом і Ф.Штрассманом, було показано, що одним із продуктів опромінення урану нейтронами є барій (Z = 56) – хімічний елемент середньої атомної ваги, тоді як згідно з припущенням теорії Фермі мали виходити трансуранові елементи.
Л. Мейтнер та О. Фріш висловили припущення, що внаслідок захоплення нейтрону 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 ланцюгу поділів ядер урану. При цьому кількість ядер, що розділилися, повинна зростати експоненційно. Н. Бор та Дж. Уіллер розрахували критичну енергію необхідну, щоб ядро ​​236 U, що утворилося в результаті захоплення нейтрону 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 дорівнює 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 в хімічних реакціях горіння в одному акті реакції виділяється енергія ≈ 10 еВ). Можливості створення умов для ланцюгової реакції поділу 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 в 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, в 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 із 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.

Розподіл 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 відбувався розподіл 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 поділу.

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).

Розподіл 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 види розпаду. Виникаючі атоми здебільшого нестійкі і відразу ж розпадаються далі; у деяких часів напіврозпаду вимірюється секундами, так що Ган повинен був застосувати аналітичний метод Кюрі 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 вища 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 звільняються при цьому. 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 поділу. При розподілі з'являються й інші частки – 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 поділу є те, що уламки поділу, як правило, суттєво різняться за масами, тобто переважає асиметричний поділ. 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.
За відкриття реакції розподілу 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 Лізі Мейтнер страждала від самотності, і я, як відданий племінник, вирішив відвідати її на різдво. Вона жила в маленькому готелі Кунгель 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. Однак 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 дослідив, яким чином електричний заряд нуклонів 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 поділу придбали б енергію близько 200 МеВ, а саме 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 від осколків, 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 із загальною площею 15 пластин 1000 см. Пластини, розташовані одна від одної 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 та 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 уламкам, що виходять в 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-графітовими гратами була побудована в 1941 р. 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 було поміщено 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 чистіших матеріалів і до травня 1942 р. був отриманий окис урану, в якому домішка становила менше 1%. Щоб забезпечити ланцюгову реакцію поділу, 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 безпечніше місце, і потужність його 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 кількох 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 р. було зібрано 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.

Клас

Урок № 42-43

Ланцюгова реакція поділу ядер урану. Ядерна енергетика та екологія. Радіоактивність. Період напіврозпаду.

Ядерні реакції

Ядерна реакція – це процес взаємодії атомного ядра з 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 у природних умовах.

Перша ядерна реакція була здійснена Е. Резерфордом у 1919 році у дослідах щодо виявлення протонів у 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 декілька 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 при бомбардуванні атомів швидкими зарядженими частинками (протони, нейтрони, -частки, іони). Перша така реакція була здійснена за допомогою протонів великої енергії, отриманих на прискорювачі, в 1932 році:

де M A і M B – маси вихідних продуктів, M C та M D – маси кінцевих продуктів реакції. Величина ΔM називається дефектом мас. Ядерні реакції можуть протікати із 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 енергії зв'язку нуклонів в 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 поділу – це процес, при якому нестабільне ядро ​​ділиться на два великі фрагменти порівнянних мас.

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

Уран зустрічається у природі як двох ізотопів: (99,3 %) і (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 енергетики реакція 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 поділу 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, величезна - 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 близько 0,9 МеВ/нуклон або 210 МеВ на один атом урану. При повному поділі всіх ядер, що містяться в 1 г урану, виділяється така ж енергія, як і при згорянні 3 т вугілля або 2,5 т нафти.

Продукти розподілу ядра урану нестабільні, оскільки у них міститься значне надлишкове 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 випробовують 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.

Малюнок 9.8.1. Схема розвитку ланцюгової реакції.

Для здійснення ланцюгової реакції необхідно, щоб так званий коефіцієнт розмноження нейтронівбув більше одиниці. Інакше кажучи, 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 у природному урані припадає лише 0,7 %. Така концентрація виявляється недостатньою для початку ланцюгової реакції. Ізотоп може поглинати нейтрони, але при цьому не виникає ланцюгової реакції.

Ланцюгова реакція в урані з підвищеним вмістом урану-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 використовувати так звані сповільнювачінейтронів. Справа в тому, що нейтрони, що народжуються при розпаді ядер урану, мають занадто великі швидкості, а ймовірність захоплення повільних нейтронів ядрами урану-235 у сотні разів більша, ніж швидких. Найкращим сповільнювачем нейтронів є важка вода D 2 O. Звичайна вода при взаємодії з нейтронами сама перетворюється на важку воду.

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

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

В атомних бомбах ланцюгова некерована ядерна реакція виникає при швидкому з'єднанні двох шматків урану-235, кожен з яких має масу трохи нижче критичної.

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

Малюнок 9.8.2. Схема влаштування ядерного реактора.

Ядерна реакція протікає в активній зоні реактора, заповнена сповільнювачем і пронизана стрижнями, що містять збагачену суміш ізотопів урану з підвищеним вмістом урану-235 (до 3%). В активну зону вводяться стрижні, що регулюють, що містять кадмій або бір, 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 енергію воді, 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 потужності теплова потужність реактора повинна досягати 3000 МВт. 2000 МВт повинні виноситися водою, що охолоджує конденсатор. Це призводить до локального перегріву природних водойм та подальшого виникнення екологічних проблем.

Однак, головна проблема полягає у забезпеченні повної радіаційної безпеки людей, які працюють на атомних електростанціях, та запобіганні випадковим викидам радіоактивних речовин, які у великій кількості накопичуються в активній зоні реактора. Під час розробки 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 з описаним вище ядерним реактором, що працює на повільних нейтронах, великий практичний інтерес представляють реактори, що працюють без сповільнювача на швидких нейтронах. Переважність реакторів на швидких нейтронах полягає в тому, що при їх роботі ядра урану-238, поглинаючи нейтрони, за допомогою двох послідовних β-розпадів перетворюються на ядра плутонію, які потім 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 набагато 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 кількість енергії. Це видно з кривої залежності питомої енергії зв'язку 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 руху молекул має перевищувати 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, що називається плазмою.

Енергія, що виділяється при термоядерних реакціях, у розрахунку на один нуклон у кілька разів перевищує питому енергію, що виділяється в 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 етапі розвитку науки і техніки вдалося здійснити лише 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 ​​мимоволі 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 протону. 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 подальші 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 в магнітному полі взагалі не відхиляються.

Ці три види радіоактивних випромінювань сильно відрізняються один від одного за здатністю іонізувати атоми речовини і, отже, проникаючої здатності. 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 будови атомів було твердо встановлено, що радіоактивність – це властивість атомних ядер. Дослідження показали, що α-промені представляють потік α-часток – ядер гелію , β-промені – це потік електронів, γ-промені є короткохвильовим електромагнітним випромінюванням з 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 і нейтронів N в інше (дочірнє) ядро, що містить число протонів Z - 2 і нейтронів N - 2. При цьому 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 випромінюються 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 відомими значеннями мас материнського та дочірнього ядер та ядра гелію. Хоча швидкість α-частки, що вилітає, величезна, але вона все ж становить лише 5 % від швидкості світла, тому при розрахунку можна користуватися нерелятивістським виразом для кінетичної енергії.

Дослідження показали, що радіоактивна речовина може випромінювати α-частки з кількома 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 подальшому переході цього ядра в основний стан випускається γ-квант. Схема α-розпаду радію з випромінюванням α-часток з 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, які 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 з квантовою механікою, існують відмінна від нуля ймовірність 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. Середнє життя вільного нейтрона 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 В. Паулі висловив припущення, що при розпаді нейтрону виділяється ще одна частка з нульовими значеннями маси та заряду, яка забирає з собою частину енергії. Нова частка отримала назву нейтрино(маленький нейтрон). Через відсутність у нейтрино заряду та маси ця частка дуже слабко взаємодіє з атомами речовини, тому її надзвичайно важко виявити в експерименті. Іонізуюча здатність нейтрино настільки мала, що один акт іонізації повітря 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 нейтрону 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 відсотках. Оскільки розподіл енергії, що виділяється при β-розпаді, між електроном, нейтрино та дочірнім ядром носить випадковий характер, β-електрони можуть мати різні швидкості в широкому інтервалі.

При -розпаді зарядове число Z збільшується на одиницю, а масове число A залишається незмінним. Дочірнє ядро ​​виявляється ядром одного з ізотопів елемента, порядковий номер якого таблиці Менделєєва на одиницю перевищує порядковий номер вихідного ядра. Типовим прикладом β-розпаду може бути 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 декількох МеВ.

Закон радіоактивного розпаду. У кожному зразку радіоактивної речовини міститься безліч радіоактивних атомів. Так як радіоактивний розпад має випадковий характер і не залежить від зовнішніх умов, то закон зменшення кількості N(t) ядер, що не розпалися до цього моменту часу, може служити 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 основу число 2, а не e:

Величина T називається періодом напіврозпаду. За час T розпадається половина первісної кількості радіоактивних ядер. Величини T і 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 застосуванням радіоактивності є метод датування археологічних та геологічних знахідок щодо 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 в повітрі поряд із звичайним стабільним ізотопом Рослини та інші організми споживають вуглець з повітря, і в них накопичуються обидва ізотопи в тій же пропорції, як і в 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 виміру відносної концентрації радіоактивного вуглецю в останках давніх організмів можна визначити час їхньої загибелі.

Радіоактивне випромінювання всіх видів (альфа, бета, гамма, 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 радіаційного захисту людей, які можуть потрапити до зони дії випромінювання.

Однак людина може піддаватися дії іонізуючої радіації та в побутових умовах. Серйозну небезпеку здоров'ю може представляти 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 та 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.

Розподіл ядер урану відбувається наступним чином:спочатку в ядро ​​потрапляє нейтрон, наче куля в яблуко. У випадку з яблуком куля зробила б у ньому дірку, або рознесла на шматки. Коли ж нейтрон потрапляє у ядро, він захоплюється ядерними силами. Нейтрон, як відомо, нейтральний, тому він не відштовхується електростатичними силами.

Як відбувається розподіл ядра урану

Отже, потрапивши до складу ядра, нейтрон порушує рівновагу і ядро ​​порушується. Воно розтягується в сторони подібно до гантелі або знака «нескінченність»: ∞ . Ядерні сили, як відомо, діють на відстані, порівнянному з розмірами частинок. Коли ядро ​​розтягується, то дія ядерних сил стає несуттєвою для крайніх частинок «гантелі», тоді як електричні сили діють такій відстані дуже потужно, і ядро ​​просто розривається на частини. При цьому ще випромінюється два-три нейтрони.

Уламки ядра і нейтрони, що виділилися, розлітаються на величезній швидкості в різні боки. Осколки досить швидко гальмуються навколишнім середовищем, проте їхня кінетична енергія величезна. Вона перетворюється на внутрішню енергію середовища, яке нагрівається. При цьому величина енергії, що виділяється, величезна. Енергія, отримана при повному розподілі одного грама урану, приблизно дорівнює енергії, що отримується від спалювання 2,5 тонн нафти.

Ланцюгова реакція поділу кількох ядер

Ми розглянули поділ одного ядра урану. При розподілі виділилося кілька (найчастіше два-три) нейтронів. Вони на великій швидкості розлітаються в сторони і можуть запросто потрапити до ядр інших атомів, викликавши в них реакцію поділу. Це і є ланцюгова реакція.

Тобто отримані в результаті розподілу ядра нейтрони збуджують і примушують ділитися інші ядра, які в свою чергу самі випромінюють нейтрони, які продовжують стимулювати розподіл далі. І так доти, доки не відбудеться поділ всіх ядер урану в безпосередній близькості.

При цьому ланцюгова реакція може відбуватися лавиноподібнонаприклад, у разі вибуху атомної бомби. Кількість поділів ядер збільшується у геометричній прогресії за короткий проміжок часу. Однак ланцюгова реакція може відбуватися і із загасанням.

Справа в тому, що не всі нейтрони зустрічають на своєму шляху ядра, які вони спонукають ділитися. Як ми пам'ятаємо, усередині речовини основний обсяг займає порожнеча між частинками. Тому деякі нейтрони пролітають усю речовину наскрізь, не зіткнувшись по дорозі ні з чим. І якщо кількість поділів ядер зменшується з часом, то реакція поступово згасає.

Ядерні реакції та критична маса урану

Від чого залежить тип реакції?Від маси урану. Чим більше маса - тим більше часток зустріне на своєму шляху нейтрон, що летить, і шансів потрапити в ядро ​​у нього більше. Тому розрізняють «критичну масу» урану - це така мінімальна маса, за якої можливе протікання ланцюгової реакції.

Кількість нейтронів, що утворилися, дорівнюватиме кількості нейтронів, що відлетіли зовні. І реакція протікатиме з приблизно однаковою швидкістю, поки виробиться весь обсяг речовини. Це використовують на практиці на атомних електростанціях і називають керованою ядерною реакцією.

Вивчення взаємодії нейтронів із речовиною призвело до відкриття ядерних реакцій нового типу. У 1939 р. О. Ган та Ф. Штрассман досліджували хімічні продукти, що виходять при бомбардуванні нейтронами ядер урану. Серед продуктів реакції було виявлено барій - хімічний елемент з масою набагато менше, ніж маса урану. Завдання було вирішено німецькими фізиками Л. Мейтнерома та О. Фрішем, які показали, що при поглинанні нейтронів ураном відбувається розподіл ядра на два уламки:

де k > 1.

При розподілі ядра урану тепловий нейтрон з енергією ~ 0,1 еВ звільняє енергію ~ 200 МеВ. Істотним моментом є те, що цей процес супроводжується появою нейтронів, здатних викликати поділ інших ядер урану. ланцюгова реакція поділу . Таким чином, один нейтрон може дати початок розгалуженому ланцюгу поділів ядер, причому кількість ядер, що беруть участь у реакції поділу, буде експоненційно зростати. Відкрилися перспективи використання ланцюгової реакції розподілу у двох напрямках:

· керована ядерна реакція поділу- Створення атомних реакторів;

· некерована ядерна реакція поділу- Створення ядерної зброї.

У 1942 р. у США було збудовано перший ядерний реактор. У СРСР перший реактор було запущено в 1946 р. В даний час теплова та електрична енергія виробляється в сотнях ядерних реакторів, що працюють у різних країнах світу.

Як видно із рис. 4.2, зі зростанням значення Апитома енергія зв'язку збільшується аж до А» 50. Цю поведінку можна пояснити додаванням сил; енергія зв'язку окремого нуклону посилюється, якщо його притягують не один чи два, а кілька інших нуклонів. Однак у елементах зі значеннями масового числа більше А» 50 питома енергія зв'язку поступово зменшується зі зростанням А.Це пов'язано з тим, що ядерні сили тяжіння є короткодіючими радіусом дії порядку розмірів окремого нуклону. Поза цим радіусом переважають сили електростатичного відштовхування. Якщо два протони видаляються більш як на 2,5×10 - 15 м, між ними переважають сили кулоновского відштовхування, а чи не ядерного тяжіння.

Наслідком такої поведінки питомої енергії зв'язку в залежності від Ає існування двох процесів - синтезу та поділу ядер . Розглянемо взаємодію електрона та протона. При утворенні атома водню вивільняється енергія 13,6 эВ і маса атома водню виявляється на 13,6 эВ менше суми мас вільного електрона та протона. Аналогічно, маса двох легких ядер перевищує масу після їх з'єднання на D М. Якщо їх з'єднати, то вони зіллються з виділенням енергії D Мс 2 . Цей процес називається синтезом ядер . Різниця мас може перевищувати 0,5%.

Якщо розщеплюється важке ядро ​​на два легших ядра, їх маса буде менше маси батьківського ядра на 0,1 %. У важких ядер існує тенденція до поділуна два легші ядра з виділенням енергії. Енергія атомної бомби та ядерного реактора є енергією , що вивільняється при розподілі ядер . Енергія водневої бомби - Це енергія, що виділяється при ядерному синтезі. Альфа-розпад можна розглядати як сильно асиметричний поділ, при якому батьківське ядро Мрозщеплюється на маленьку альфа-частинку та велике залишкове ядро. Альфа-розпад можливий тільки якщо в реакції

маса Мвиявляється більше суми мас та альфа-частинки. У всіх ядер з Z> 82 (свинець). Z> 92 (уран) напівперіоди альфа-розпаду виявляються значно довшими за вік Землі, і такі елементи не зустрічаються в природі. Однак їх можна створити штучно. Наприклад, плутоній ( Z= 94) можна одержати з урану в ядерному реакторі. Ця процедура стала звичайною і обходиться всього в 15 доларів за 1 м. Досі вдалося отримати елементи аж до Z= 118, проте набагато дорожчою ціною і, як правило, у незначних кількостях. Можна сподіватися, що радіохіміки навчаться отримувати, хоч і в невеликих кількостях, нові елементи з Z> 118.

Якби масивне ядро ​​урану вдалося розділити на дві групи нуклонів, то ці групи нуклонів перебудувалися в ядра з сильнішим зв'язком. У процесі перебудови виділилася енергія. Спонтанний поділ ядер дозволено законом збереження енергії. Однак потенційний бар'єр у реакції поділу у ядер, що зустрічаються в природі, настільки високий, що ймовірність спонтанного поділу виявляється набагато меншою від ймовірності альфа-розпаду. Період напіврозпаду ядер 238 U щодо спонтанного поділу становить 8×10 15 років. Це більш ніж мільйон разів перевищує вік Землі. Якщо нейтрон зіштовхується з важким ядром, воно може перейти більш високий енергетичний рівень поблизу вершини електростатичного потенційного бар'єру, у результаті зросте ймовірність поділу. Ядро в збудженому стані може мати значний момент імпульсу і набути овальної форми. Ділянки на периферії ядра легше проникають крізь бар'єр, оскільки вони вже частково перебувають за бар'єром. У ядра овальної форми роль бар'єру ще більше послаблюється. При захопленні ядром або повільного нейтрону утворюються стани з дуже короткими часом життя щодо поділу. Різниця мас ядра урану та типових продуктів розподілу така, що в середньому при розподілі урану вивільняється енергія 200 МеВ. Маса спокою ядра урану 2,2 10 5 МеВ. В енергію перетворюється близько 0,1% цієї маси, що дорівнює відношенню 200 МеВ до величини 2,2×105 МеВ.

Оцінка енергії,що звільняється під час поділу,може бути отримана з формули Вайцзеккера :

При розподілі ядра на два уламки змінюється поверхнева енергія та кулонівська енергія , причому поверхнева енергія збільшується, а кулонівська енергія зменшується. Поділ можливий у тому випадку, коли енергія, що вивільняється при розподілі, Е > 0.

.

Тут A 1 = A/2, Z 1 = Z/2. Звідси отримаємо, що розподіл енергетично вигідний, коли Z 2 /A> 17. Розмір Z 2 /Aназивається параметром ділимості . Енергія Е, що звільняється при розподілі, зростає зі збільшенням Z 2 /A.

У процесі поділу ядро ​​змінює форму - послідовно проходить через наступні стадії (рис. 9.4): куля, еліпсоїд, гантель, два грушоподібні уламки, два сферичні уламки.

Після того як поділ відбувся, і уламки знаходяться один від одного на відстані набагато більшій за їхній радіус, потенційну енергію уламків, що визначається кулонівською взаємодією між ними, можна вважати рівною нулю.

Внаслідок еволюції форми ядра, зміна його потенційної енергії визначається зміною суми поверхневої та кулонівської енергій . Передбачається, що обсяг ядра у процесі деформації залишається незмінним. Поверхнева енергія у своїй зростає, оскільки збільшується площа поверхні ядра. Кулонівська енергія зменшується, оскільки збільшується середня відстань між нуклонами. У разі малих еліпсоїдальних деформацій зростання поверхневої енергії відбувається швидше, ніж зменшення кулонівської енергії.

У сфері важких ядер сума поверхневої та кулонівської енергій збільшується із збільшенням деформації. При малих еліпсоїдальних деформаціях зростання поверхневої енергії перешкоджає подальшій зміні форми ядра, а отже і поділу. Наявність потенційного бар'єру перешкоджає миттєвому мимовільному поділу ядер. Для того, щоб ядро ​​миттєво розділилося, йому необхідно повідомити енергію, що перевищує висоту бар'єра поділу Н.

Висота бар'єру Нтим більше, чим менше відношення кулонівської та поверхневої енергії у початковому ядрі. Це відношення, у свою чергу, збільшується зі збільшенням параметра подільності Z 2 /А.Чим важче ядро, тим менша висота бар'єру Н, так як параметр подільності збільшується зі зростанням масового числа:

Більш важким ядрам, як правило, потрібно повідомити меншу енергію, щоб викликати поділ. З формули Вайцзеккера випливає, що висота бар'єру поділу перетворюється на нуль при . Тобто. згідно з крапельною моделлю в природі повинні бути відсутні ядра з , тому що вони практично миттєво (за характерний ядерний час порядку 10 -22 с) мимовільно діляться. Існування атомних ядер з (« острів стабільності ») Пояснюється оболонковою структурою атомних ядер. Мимовільне розподіл ядер з , для яких висота бар'єру Нне дорівнює нулю, з погляду класичної фізики неможливо. З точки зору квантової механіки такий поділ можливий в результаті проходження уламків через потенційний бар'єр і зветься спонтанного поділу . Ймовірність спонтанного поділу зростає зі збільшенням параметра подільності, тобто. із зменшенням висоти бар'єру поділу.

Вимушений поділ ядер з може бути викликано будь-якими частинками: фотонами, нейтронами, протонами, дейтронами, α-частинками і т.д., якщо енергія, яку вони вносять у ядро, є достатньою для подолання бар'єру поділу.

Маси уламків, що утворюються при розподілі тепловими нейтронами, не рівні. Ядро прагне розділитися таким чином, щоб основна частина нуклонів осколка утворила стійкий магічний кістяк. На рис. 9.5 наведено розподіл за масами при розподілі. Найбільш ймовірна комбінація масових чисел – 95 та 139.

Ставлення числа нейтронів до протонів в ядрі дорівнює 1,55, тоді як у стабільних елементів, що мають масу, близьку до маси уламків поділу, це відношення 1,25 - 1,45. Отже, уламки розподілу сильно перевантажені нейтронами і нестійкі до -розпаду - радіоактивні.

Через війну розподілу вивільняється енергія ~ 200 МеВ. Близько 80% її посідає енергію уламків. За один акт поділу утворюється більше двох нейтронів поділу із середньою енергією ~ 2 МеВ.

У 1 г будь-якої речовини міститься . Поділ 1 г урану супроводжується виділенням ~ 9×10 10 Дж. Це майже 3 млн разів перевищує енергію спалювання 1 р вугілля (2,9×10 4 Дж). Звичайно, 1 г урану обходиться значно дорожче 1 г вугілля, але вартість 1 Дж енергії, отриманої спалюванням вугілля, виявляється в 400 разів вище, ніж у разі уранового палива. Вироблення 1 кВт×год енергії обходилося в 1,7 цента на електростанціях, що працюють на вугіллі, та в 1,05 цента на ядерних електростанціях.

Завдяки ланцюгової реакціїпроцес поділу ядер можна зробити самопідтримується . При кожному розподілі вилітають 2 або 3 нейтрони (рис. 9.6). Якщо одному з цих нейтронів вдасться викликати поділ іншого ядра урану, процес буде самоподдерживающимся.

Сукупність речовини, що ділиться, що задовольняє цій вимогі, називається критичним складанням . Перше таке складання, назване ядерним реактором , була побудована в 1942 р. під керівництвом Енріко Фермі на території університету Чикаго. Перший ядерний реактор було запущено 1946 р. під керівництвом І. Курчатова у Москві. Перша атомна електростанція потужністю 5 МВт була пущена в СРСР у 1954 р. в Обнінську (рис. 9.7).

Масуі можна також зробити надкритичної . У цьому випадку нейтрони, що виникають при розподілі, будуть викликати кілька вторинних поділів. Оскільки нейтрони рухаються зі швидкостями, що перевищують 10 8 см/с, надкритична збірка може повністю прореагувати (або розлетітися) швидше ніж за тисячну частку секунди. Такий пристрій називається атомною бомбою . Ядерний заряд із плутонію або урану переводять у надкритичний стан зазвичай за допомогою вибуху. Підкритичну масу оточують хімічною вибухівкою. При її вибуху плутонію або уранова маса піддається миттєвому стиску. Оскільки щільність сфери при цьому значно зростає, швидкість поглинання нейтронів виявляється вищою за швидкість втрати нейтронів за рахунок їх вильоту назовні. У цьому полягає умова надкритичності.

На рис. 9.8 зображено схему атомної бомби «Малюк», скинутої на Хіросіму. Ядерною вибухівкою в бомбі служив , розділений на дві частини, маса яких була меншою за критичну. Необхідна для вибуху критична маса створювалася в результаті з'єднання обох частин методом гармати за допомогою звичайної вибухівки.

При вибуху 1 т тринітротолуолу (ТНТ) вивільняється 109 кал, або 4×109 Дж. При вибуху атомної бомби, що витрачає 1 кг плутонію, вивільняється близько 8×1013 Дж енергії.

Або це майже у 20 000 разів більше, ніж під час вибуху 1 т ТНТ. Така бомба називається 20-кілотонною бомбою. Сучасні бомби потужністю в мегатонни в мільйони разів потужніші від звичайної ТНТ-вибухівки.

Виробництво плутонію засноване на опроміненні 238 U нейтронами, що веде до утворення ізотопу 239 U, який в результаті розпаду бета перетворюється в 239 Np, а потім після ще одного бета-розпаду в 239 Рu. При поглинанні нейтрона з малою енергією обидва ізотопи 235 U і 239 Ру відчувають розподіл. Продукти розподілу характеризуються сильнішим зв'язком (~ 1 МеВ на нуклон), завдяки чому в результаті розподілу вивільняється приблизно 200 МеВ енергії.

Кожен грам витраченого плутонію або урану породжує майже грам радіоактивних продуктів поділу, які мають величезну радіоактивність.

Для перегляду демонстрацій клацніть на відповідному гіперпосиланні: