Виділення енергії при розподілі ядер. Типи ядерних реакцій

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

§ 107 ДІЛЕННЯ 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.Розподіл 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 нейтрону 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, які у періодичної системі останні місця (А 200), приблизно 1 МеВ менше питомої енергії зв'язку в ядрах елементів, що у середині періодичної системи (А 100). Тому процес розподілу важких ядер на ядра елементів середньої частини періодичної системи є енергетично вигідним. Система після розподілу перетворюється на стан із мінімальною внутрішньої енергією. Адже, чим більше енергія зв'язку ядра, тим більша енергія повинна виділятися нри виникненні ядра і, отже, тим менше 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. За жодної іншої ядерної реакції (не пов'язаної з розподілом) таких великих енергій не виділяється.

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

Енергія, що виділяється при розподілі ядра, має електростатичне, а не ядерне походження. Велика кінетична енергія, яку мають уламки, виникає внаслідок їхнього кулонівського відштовхування.

Механізм розподілу ядра.Процес поділу атомного ядра можна пояснити на основі краплинної моделі ядра. Відповідно до цієї моделі потік нуклонів нагадує крапельку зарядженої рідини (рис. 13.14, а). Ядерні сили між нуклонами є короткодіючими, подібно до сил, що діють між молекулами рідини. Поряд із 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 поділу - випромінювання у процесі поділу двох-трьох нейтронів. Саме завдяки цьому виявилося можливим практичне використання внутрішньоядерної 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 зовсім 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 відзначимо, що є також спонтанний поділ 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 розподілу ядер супроводжується виділенням енергії.

Поділ ядра- процес розщеплення атомного ядра на два (рідше три) ядра з близькими масами, які називають осколками поділу. В результаті поділу можуть виникати й інші продукти реакції: легкі ядра (в основному альфа-частинки), нейтрони та гамма-кванти. Поділ буває спонтанним (мимовільним) і вимушеним (в результаті взаємодії з іншими частинками, насамперед, з нейтронами). Розподіл важких ядер - екзотермічний процес, у результаті якого вивільняється велика кількість енергії як кінетичної енергії продуктів реакції, і навіть випромінювання. Розподіл ядер служить джерелом енергії в ядерних реакторах та ядерній зброї. Процес поділу може протікати тільки в тому випадку, коли потенційна енергія початкового стану ядра, що ділиться, перевищує суму мас уламків поділу. Оскільки питома енергія зв'язку важких ядер зменшується зі збільшенням їхньої маси, ця умова виконується майже всім ядер з масовим числом .

Однак, як показує досвід, навіть найважчі ядра діляться мимоволі з дуже малою ймовірністю. Це означає, що існує енергетичний бар'єр ( бар'єр поділу), що перешкоджає поділу. Для опису процесу розподілу ядер, включаючи обчислення бар'єру розподілу, використовується кілька моделей, але жодна з них не дозволяє пояснити процес повністю.

Те, що при розподілі важких ядер виділяється енергія, безпосередньо випливає із залежності питомої енергії зв'язку ε = E св (A,Z)/A від масового числа А. При розподілі важкого ядра утворюються легші ядра, у яких нуклони пов'язані сильніше, і частина енергії при розподілі вивільняється. Зазвичай, розподіл ядер супроводжується вильотом 1 – 4 нейтронів. Виразимо енергію поділу Q справ через енергії зв'язку початкового та кінцевих ядер. Енергію початкового ядра, що складається з протонів Z і N нейтронів, і має масу M(A,Z) і енергію зв'язку E св (A,Z), запишемо в наступному вигляді:

M(A,Z)c 2 = (Zm p + Nm n)c 2 - E св (A,Z).

Розподіл ядра (A,Z) на 2 уламки (A 1 ,Z 1) і (А 2 ,Z 2) супроводжується утворенням N n = A – A 1 – A 2 миттєвих нейтронів. Якщо ядро ​​(A,Z) розділилося на уламки з масами M 1 (A 1 ,Z 1), M 2 (A 2 ,Z 2) та енергіями зв'язку E св1 (A 1 ,Z 1), E св2 (A 2 , Z 2), то для енергії поділу маємо вираз:

Q діл = (M(A,Z) – )c 2 = E св 1 (A 1 ,Z 1) + E св (A 2 ,Z 2) – E св (A,Z),

A = A 1 + A 2 + N n, Z = Z 1 + Z 2 .

23. Елементарна теорія поділу.

У 1939 р. Н. Борі Дж.Вілер, а також Я. Френкельще задовго до того, як розподіл було всебічно вивчено експериментально, запропонували теорію цього процесу, засновану на уявленні про ядро ​​як краплю зарядженої рідини.

Енергія, що звільняється при розподілі, може бути отримана безпосередньо з Формули Вайцзеккера.

Розрахуємо величину енергії, що виділяється при розподілі важкого ядра. Підставимо в (f.2) вирази для енергій зв'язку ядер (f.1), вважаючи А 1 =240 і Z 1 = 90. Нехтуючи останнім членом (f.1) внаслідок його малості і підставивши значення параметрів a 2 і a 3 ,отримуємо

Звідси отримаємо, що розподіл енергетично вигідно, коли Z2/A>17. Величина Z2/A називається параметром ділимості. Енергія Е, що звільняється при розподілі, зростає зі збільшенням Z 2 /A; Z 2 /A = 17 для ядер у районі ітрію та цирконію. З отриманих оцінок видно, що розподіл енергетично вигідно всім ядер з A > 90. Чому більшість ядер стійко стосовно мимовільному поділу? Щоб відповісти на це питання, подивимося, як змінюється форма ядра у процесі розподілу.

Розглянемо початкову стадію поділу, коли ядро ​​зі збільшенням r набуває форми все більш витягнутого еліпсоїда обертання. У цій стадії розподілу r - міра відхилення ядра від сферичної форми (рис.3). Внаслідок еволюції форми ядра зміна його потенційної енергії визначається зміною суми поверхневої та кулонівської енергій Е"п+Е" до. Передбачається, що обсяг ядра в процесі деформації залишається незмінним. Поверхнева енергія Е" при цьому зростає, так як збільшується площа поверхні ядра. Кулонівська енергія Е" до зменшується, так як збільшується середня відстань між нуклонами. Нехай сферичне ядро ​​внаслідок незначної деформації, що характеризується малим параметром, набуло форми аксіально-симетричного еліпсоїда. Можна показати, що поверхнева енергія Е" п і кулонівська енергія Е" в залежності від змінюються наступним чином:

У разі малих еліпсоїдальних деформацій зростання поверхневої енергії відбувається швидше, ніж зменшення кулонівської енергії. В області важких ядер 2Е п>Е до сума поверхневої та кулонівської енергій збільшується із збільшенням. З (f.4) і (f.5) випливає, що при малих деформаціях еліпсоїдів зростання поверхневої енергії перешкоджає подальшій зміні форми ядра, а, отже, і поділу. Вираз (f.5) справедливо для малих значень (малих деформацій). Якщо деформація настільки велика, що ядро ​​набуває форми гантелі, то сили поверхневого натягу, як і кулонівські сили, прагнуть розділити ядро ​​і надати уламкам кулясту форму. На цій стадії поділу збільшення деформації супроводжується зменшенням як кулонівської, так і поверхневої енергії. Тобто. при поступовому збільшенні деформації ядра потенційна енергія проходить через максимум. Тепер r має сенс відстані між центрами майбутніх уламків. При видаленні осколків один від одного, потенційна енергія їхньої взаємодії буде зменшаться, оскільки зменшується енергія кулонівського відштовхування Е к. Залежність потенційної енергії від відстані між осколками показана на рис. 4. Нульовий рівень потенційної енергії відповідає сумі поверхневої та кулонівської енергій двох невзаємодіючих уламків. Наявність потенційного бар'єру перешкоджає миттєвому мимовільному поділу ядер. Для того щоб ядро ​​миттєво розділилося, йому необхідно повідомити енергію Q, що перевищує висоту бар'єру Н. Максимум потенційної енергії ядра, що ділиться приблизно дорівнює 2 Z 2 /(R 1 +R 2), де R 1 і R 2 - радіуси осколків. Наприклад, при розподілі ядра золота на два однакові уламки е 2 Z 2 /(R 1 +R 2) = 173 МеВ, а величина енергії Е, що звільняється при розподілі ( див. формулу (f.2)), дорівнює 132 МеВ. Таким чином, при розподілі ядра золота необхідно подолати потенційний бар'єр заввишки близько 40 МеВ. Висота бар'єру Н тим більша, чим менше відношення кулонівської та поверхневої енергії Е до /Е п у початковому ядрі. Це відношення, у свою чергу, збільшується зі збільшенням параметра подільності Z 2 /А ( див. (f.4)). Чим важче ядро, тим менша висота бар'єру Н , оскільки параметр подільності збільшується зі зростанням масового числа:

Тобто. згідно з крапельною моделлю в природі повинні бути відсутні ядра з Z 2 /А > 49, оскільки вони практично миттєво (за характерний ядерний час близько 10 -22 с) мимовільно діляться. Існування атомних ядер з Z 2 /А > 49 ("острів стабільності") пояснюється оболонковою структурою. Залежність форми, висоти потенційного бар'єру H та енергії поділу E від величини параметра подільності Z 2 /А показано на рис. 5.

Мимовільне розподіл ядер з Z 2 /А< 49, для которых высота барьера Н не равна нулю, с точки зрения классической физики невозможно. С точки зрения квантовой механики такое деление возможно в результате прохождения через потенциальный барьер и носит название спонтанного деления. Вероятность спонтанного деления растет с увеличением параметра делимости Z 2 /А, т.е. с уменьшением высоты барьера. В целом период полураспада относительно спонтанного деления уменьшается при переходе от менее тяжелых ядер к более тяжелым от Т 1/2 > 10 21 років для 232 Th до 0.3 с для 260 Кu. Вимушений поділ ядер із Z 2 /А < 49 может быть вызвано любыми частицами: фотонами, нейтронами, протонами, дейтронами, -частицами и т.д., если энергия, которую они вносят в ядро достаточна для преодоления барьера деления.

Поділ ядер урану було відкрито 1938 р. німецькими вченими О. Ганом та Ф. Штрассманом. Їм вдалося встановити, що при бомбардуванні ядер урану нейтронами утворюються елементи середньої частини періодичної системи: барій, криптон та ін. Правильне тлумачення цього факту дали австрійський фізик Л. Мейтнер та англійський фізик О. Фріш. Вони пояснили появу цих елементів розпадом ядер урану, що захопив нейтрон, на приблизно дві рівні частини. Це явище отримало назву поділу ядер, а ядра, що утворюються, - уламків поділу.

Див. також

1. Васильєв А. Розподіл урану: від Клапроту до Гана // Квант. - 2001. - № 4. - С. 20-21,30.

Крапельна модель ядра

Пояснити цю реакцію поділу можна ґрунтуючись на краплинній моделі ядра. У цій моделі ядро ​​розглядається як крапля зарядженої несжимаемой рідини. Крім ядерних сил, що діють між усіма нуклонами ядра, протони зазнають додаткового електростатичного відштовхування, внаслідок якого вони розташовуються на периферії ядра. У незбудженому стані сили електростатичного відштовхування компенсовані, тому ядро ​​має сферичну форму (рис. 1, а).

Після захоплення ядром \(~^(235)_(92)U\) нейтрону утворюється проміжне ядро ​​\(~(^(236)_(92)U)^*\), яке знаходиться у збудженому стані. При цьому енергія нейтрону рівномірно розподіляється між усіма нуклонами, а проміжне ядро ​​деформується і починає коливатися. Якщо збудження невелике, то ядро ​​(рис. 1, б), звільняючись від надлишку енергії шляхом випромінювання γ -Кванту або нейтрону, повертається у стійкий стан. Якщо ж енергія збудження досить велика, то деформація ядра при коливаннях може бути настільки великою, що в ньому утворюється перетяжка (рис. 1, в), аналогічна перетяжці між двома частинами краплі рідини, що роздвоюється. Ядерні сили, що діють у вузькій перетяжці, вже не можуть протистояти значній кулонівській силі відштовхування частин ядра. Перетяжка розривається, і ядро ​​розпадається на два "уламки" (рис. 1, г), які розлітаються на протилежні сторони.

uran.swf Flash: Розподіл урану Збільшити Flash Мал. 2.

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:

\(~^(235)_(92)U + \ ^1_0n \ ^(\nearrow)_(\searrow) \ \begin(matrix) ^(144)_(56)Ba + \ ^(89)_( 36) Kr + \ 3^1_0n \\ ^(140)_(54)Xe + \ ^(94)_(38)Sr + \ 2^1_0n \end(matrix)\) .

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.

При розподілі ядер важких атомів ((^(235)_(92)U)) виділяється дуже велика енергія - близько 200 МеВ при розподілі кожного ядра. Близько 80% цієї енергії виділяється у вигляді кінетичної енергії уламків; решта 20 % припадає на енергію радіоактивного випромінювання уламків та кінетичну енергію миттєвих нейтронів.

Оцінку ядра енергії, що виділяє при розподілі, можна зробити за допомогою питомої енергії зв'язку нуклонів в ядрі. Питома енергія зв'язку нуклонів у ядрах із масовим числом A≈ 240 порядку 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.

Див. також

1. Варламов А.А. Крапельна модель ядра // квант. – 1986. – № 5. – С. 23-24

Ланцюжкова реакція

Ланцюжкова реакція- Ядерна реакція, в якій частинки, що викликають реакцію, утворюються як продукти цієї реакції.

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 реакції розподілу ядер урану представлена ​​на рис. 3.

reakce.swf Flash: ланцюгова реакція Збільшити Flash Мал. 4.

Уран зустрічається в природі у вигляді двох ізотопів [[~^(238)_(92)U\] (99,3%) і \(~^(235)_(92)U\) (0,7%). При бомбардуванні нейтронами ядра обох ізотопів можуть розщеплюватися на два уламки. При цьому реакція розподілу \(~^(235)_(92)U\) найбільш інтенсивно йде на повільних (теплових) нейтронах, тоді як ядра \(~^(238)_(92)U\) вступають у реакцію розподілу лише з швидкими нейтронами з енергією порядку 1 МеВ. Інакше енергія збудження ядер, що утворилися \(~^(239)_(92)U\) виявляється недостатньою для поділу, і тоді замість поділу відбуваються ядерні реакції:

\(~^(238)_(92)U + \ ^1_0n \to \ ^(239)_(92)U \to \ ^(239)_(93)Np + \ ^0_(-1)e\ ).

Ізотоп урану \(~^(238)_(92)U\) β -Радіоактивний, період напіврозпаду 23 хв. Ізотоп нептунія \(~^(239)_(93)Np\) теж радіоактивний, період напіврозпаду близько 2 днів.

\(~^(239)_(93)Np \to \^(239)_(94)Pu + \^0_(-1)e\) .

Ізотоп плутонію \(~^(239)_(94)Np\) щодо стабільний, період напіврозпаду 24000 років. Найважливіша властивість плутонію полягає в тому, що він ділиться під впливом нейтронів так само, як (~^(235)_(92)U\). Тому за допомогою \(~^(239)_(94)Np\) може бути здійснена ланцюгова реакція.

Розглянута вище схема ланцюгової реакції є ідеальним випадком. У реальних умовах не всі нейтрони, що утворюються при розподілі, беруть участь у розподілі інших ядер. Частина їх захоплюється ядрами сторонніх атомів, що не діляться, інші вилітають з урану назовні (витік нейтронів).

Тому ланцюгова реакція поділу важких ядер виникає не завжди і не за будь-якої маси урану.

Коефіцієнт розмноження нейтронів

Розвиток ланцюгової реакції характеризується так званим коефіцієнтом розмноження нейтронів До, який вимірюється відношенням числа N i нейтронів, що викликають розподіл ядер речовини на одному з етапів реакції, до числа N i-1 нейтронів, що викликали поділ на попередньому етапі реакції:

\(~K = \dfrac(N_i)(N_(i - 1))\) .

Коефіцієнт розмноження залежить від ряду факторів, зокрема від природи і кількості речовини, що ділиться, від геометричної форми займаного ним обсягу. Одна і та ж кількість даної речовини має різне значення До. Домаксимально, якщо речовина має кулясту форму, оскільки в цьому випадку втрата миттєвих нейтронів через поверхню буде найменшою.

Маса речовини, що ділиться, в якому ланцюгова реакція йде з коефіцієнтом розмноження До= 1 називається критичної масою. У невеликих шматках урану більшість нейтронів, не потрапивши в жодне ядро, вилітають назовні.

Значення критичної маси визначається геометрією фізичної системи, її структурою та зовнішнім оточенням. Так, для кулі з чистого урану \(~^(235)_(92)U\) критична маса дорівнює 47 кг (куля діаметром 17 см). Критичну масу урану можна в багато разів зменшити, якщо використовувати так звані уповільнювачі нейтронів. 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.

При коефіцієнті розмноження До= 1 число ядер, що діляться, підтримується на постійному рівні. Такий режим забезпечується у ядерних реакторах.

Якщо маса ядерного палива менша від критичної маси, то коефіцієнт розмноження До < 1; каждое новое поколение вызывает все меньшее и меньшее число делений, и реакция без внешнего источника нейтронов быстро затухает.

Якщо ж маса ядерного палива більша за критичну, то коефіцієнт розмноження До> 1 і кожне нове покоління нейтронів викликає дедалі більше поділів. Ланцюгова реакція лавиноподібно наростає і має характер вибуху, що супроводжується величезним виділенням енергії та підвищенням температури навколишнього середовища до кількох мільйонів градусів. Ланцюгова реакція такого роду відбувається під час вибуху атомної бомби.

Ядерна бомба

У звичайному стані ядерна бомба не вибухає тому, що ядерний заряд у ній поділений на кілька невеликих частин перегородками, що поглинають продукти розпаду урану – нейтрони. Ланцюгова ядерна реакція, що є причиною ядерного вибуху, не може підтримуватись у таких умовах. Однак, якщо фрагменти ядерного заряду з'єднати разом, їх сумарна маса стане достатньою для того, щоб почала розвиватися ланцюгова реакція поділу урану. Внаслідок цього відбувається ядерний вибух. При цьому потужність вибуху, що розвивається ядерною бомбою порівняно невеликих розмірів, еквівалентна потужності, що виділяється під час вибуху мільйонів і мільярдів тонн тротилу.

Рис. 5. Атомна бомба