Деление ядер урана и цепная реакция. Деление и синтез ядер

Деле́ние ядра́ - процесс расщепления атомного ядра на два (реже три) ядра с близкими массами, называемых осколками деления. В результате деления могут возникать и другие продукты реакции: лёгкие ядра (в основном альфа-частицы), нейтроны и гамма-кванты. Деление бывает спонтанным (самопроизвольным) и вынужденным (в результате взаимодействия с другими частицами, прежде всего, с нейтронами). Деление тяжёлых ядер - экзотермический процесс, в результате которого высвобождается большое количество энергии в виде кинетической энергии продуктов реакции, а также излучения. Деление ядер служит источником энергии в ядерных реакторах и ядерном оружии. Процесс деления может протекать только в том случае, когда потенциальная энергия начального состояния делящегося ядра превышает сумму масс осколков деления. Поскольку удельная энергия связи тяжёлых ядер уменьшается с увеличением их массы, это условие выполняется почти для всех ядер с массовым числом .

Однако, как показывает опыт, даже самые тяжёлые ядра делятся самопроизвольно с очень малой вероятностью. Это означает, что существует энергетический барьер (барьер деления ), препятствующий делению. Для описания процесса деления ядер, включая вычисление барьера деления, используется несколько моделей, но ни одна из них не позволяет объяснить процесс полностью.

То, что при делении тяжёлых ядер выделяется энергия, непосредственно следует из зависимости удельной энергии связи ε = E св (A,Z)/A от массового числа А.При делении тяжёлого ядра образуются более лёгкие ядра, в которых нуклоны связаны сильнее, и часть энергии при делении высвобождается. Как правило, деление ядер сопровождается вылетом 1 – 4 нейтронов. Выразим энергию деления Q дел через энергии связи начального и конечных ядер. Энергию начального ядра, состоящего из Z протонов и N нейтронов, и имеющего массу M(A,Z) и энергию связи E св (A,Z), запишем в следующем виде:

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

Деление ядра (A,Z) на 2 осколка (A 1 ,Z 1) и (А 2 ,Z 2) сопровождается образованием N n = A – A 1 – A 2 мгновенных нейтронов. Если ядро (A,Z) разделилось на осколки с массами M 1 (A 1 ,Z 1), M 2 (A 2 ,Z 2) и энергиями связи E св1 (A 1 ,Z 1), E св2 (A 2 ,Z 2), то для энергии деления имеем выражение:

Q дел = {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. Элементарная теория деления.

В 1939 г. Н. Бор и Дж.Уилер , а также Я. Френкель еще задолго до того, как деление было всесторонне изучено экспериментально, предложили теорию этого процесса, основанную на представлении о ядре как о капле заряженной жидкости.

Энергия, освобождающаяся при делении, может быть получена непосредственно из формулы Вайцзеккера.

Рассчитаем величину энергии, выделяющнйся при делении тяжелого ядра. Подставим в (f.2) выражения для энергий связи ядер (f.1), полагая А 1 =240 и Z 1 = 90. Пренебрегая последним членом в (f.1) вследствие его малости и подставив значения параметров a 2 и a 3 ,получаем

Отсюда получим, что деление энергетически выгодно, когда Z 2 /A > 17. Величина Z 2 /A называется параметром делимости. Энергия Е, освобождающаяся при делении, растет с увеличением Z 2 /A ; Z 2 /A = 17 для ядер в районе иттрия и циркония. Из полученных оценок видно, что деление энергетически выгодно для всех ядер с A > 90. Почему же большинство ядер устойчиво по отношению к самопроизвольному делению? Чтобы ответить на этот вопрос, посмотрим, как меняется форма ядра в процессе деления.

Рассмотрим начальную стадию деления, когда ядро с увеличением r принимает форму все более вытянутого эллипсоида вращения. На этой стадии деления r - мера отклонения ядра от сферической формы (рис.3). Вследствие эволюции формы ядра изменение его потенциальной энергии определяется изменением суммы поверхностной и кулоновской энергий Е" п + Е" к. Предполагается, что объем ядра в процессе деформации остается неизменным. Поверхностная энергия Е" п при этом возрастает, так как увеличивается площадь поверхности ядра. Кулоновская энергия Е" к уменьшается, так как увеличивается среднее расстояние между нуклонами. Пусть сферическое ядро в результате незначительной деформации, характеризующейся малым параметром, приняло форму аксиально-симметричного эллипсоида. Можно показать, что поверхностная энергия Е" п и кулоновская энергия Е" к в зависимости от меняются следующим образом:

В случае малых эллипсоидальных деформаций рост поверхностной энергии происходит быстрее, чем уменьшение кулоновской энергии. В области тяжелых ядер 2Е п > Е к сумма поверхностной и кулоновской энергий увеличивается с увеличением . Из (f.4) и (f.5) следует, что при малых эллипсоидальных деформациях рост поверхностной энергии препятствует дальнейшему изменению формы ядра, а, следовательно, и делению. Выражение (f.5) справедливо для малых значений(малых деформаций). Если деформация настолько велика, что ядро принимает форму гантели, то силы поверхностного натяжения, как и кулоновские силы, стремятся разделить ядро и придать осколкам шарообразную форму. На этой стадии деления увеличение деформации сопровождается уменьшением как кулоновской, так и поверхностной энергии. Т.е. при постепенном увеличении деформации ядра его потенциальная энергия проходит через максимум. Теперь r имеет смысл расстояния между центрами будущих осколков. При удалении осколков друг от друга, потенциальная энергия их взаимодействия будет уменьшатся, так как уменьшается энергия кулоновского отталкивания Е к. Зависимость потенциальной энергии от расстояния между осколками показана на рис. 4. Нулевой уровень потенциальной энергии соответствует сумме поверхностной и кулоновской энергий двух невзаимодействующих осколков. Наличие потенциального барьера препятствует мгновенному самопроизвольному делению ядер. Для того чтобы ядро мгновенно разделилось, ему необходимо сообщить энергию Q, превышающую высоту барьера Н. Максимум потенциальной энергии делящегося ядра примерно равен е 2 Z 2 /(R 1 +R 2), где R 1 и R 2 - радиусы осколков. Например, при делении ядра золота на два одинаковых осколка е 2 Z 2 /(R 1 +R 2) = 173 МэВ, а величина энергии Е, освобождающейся при делении (см. формулу (f.2) ), равна 132 МэВ. Таким образом, при делении ядра золота необходимо преодолеть потенциальный барьер высотой около 40 Мэв. Высота барьера Н тем больше, чем меньше отношение кулоновской и поверхностной энергии Е к /Е п в начальном ядре. Это отношение, в свою очередь, увеличивается с увеличением параметра делимости Z 2 /А (см. (f.4) ). Чем тяжелее ядро, тем меньше высота барьера Н, так как параметр делимости увеличивается с ростом массового числа:

Т.е. согласно капельной модели в природе должны отсутствовать ядра с Z 2 /А > 49, так как они практически мгновенно (за характерное ядерное время порядка 10 -22 с) самопроизвольно делятся. Существование атомных ядер с с Z 2 /А > 49 ("остров стабильности") объясняется оболочечной структурой. Зависимость формы, высоты потенциального барьера H и энергии деления E от величины параметра делимости Z 2 /А показана на рис. 5.

Самопроизвольное деление ядер с 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 лет для 232 Th до 0.3 с для 260 Кu. Вынужденное деление ядер с 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.

ДЕЛЕНИЕ ЯДЕР УРАНА

Делиться могут только ядра некоторых тяжелых элементов, например, урана.

Ядро урана - 235 имеет форму шара. Поглотив нейтрон, ядро возбуждается и начинает деформироваться.
Оно растягивается из стороны в сторону до тех пор, пока кулоновские силы отталкивания между протонами не начнут преобладать над ядерными силами притяжения. После этого ядро разрывается на две части и осколки разлетаются со скоростью 1/30 скорости света. При делении ядра образуются еще 2 или 3 нейтрона.
Появление нейтронов объясняется тем, что число нейтронов в осколках оказывается больше, чем это допустимо.

Имеющие огромную скорость разлетающиеся осколки тормозятся окружающей средой.
Кинетическая энергия осколков превращается во внутреннюю энергию среды, которая нагревается.
Таким образом, деление ядер урана сопровождается выделением большого количества энергии.

ЦЕПНАЯ ЯДЕРНАЯ РЕАКЦИЯ

Это процесс, в котором одна проведенная реакция вызывает последующие реакции такого же типа.

При делении одного ядра урана образовавшиеся нейтроны могут вызвать деления других ядер урана, при этом число нейтронов нарастает лавинообразно .

Отношение числа образовавшихся нейтронов в одном акте деления к числу таких нейтронов в предыдущем акте деления называется коэффициентом размножения нейтронов k.

При k меньше 1 реакция затухает, т.к. число поглщенных нейтронов больше числа вновь образовавшихся.
При k больше 1 почти мгновенно происходит взрыв.
При k равном 1 идет управляемая стационарная цепная реакция.

Цепная реакция сопровождается выделением большого количества энергии.

Для осуществлении цепной реакции не получается использовать любые ядра, делящиеся под влиянием нейтронов.

Используемый в качестве топлива для атомных реакторов химический элемент уран состоит в природе из двух изотопов: урана-235 и урана - 238.

В природе изотопы урана-235 составляют всего лишь 0,7% от всего запаса урана, однако именно они пригодны для проведения цепной реакции, т.к. делятся под влиянием медленных нейтронов.

Ядра урана-238 могут делиться лишь под влиянием нейтронов большой энергии (быстрых нейтронов ). Такую энергию имеют только 60% нейтронов, появляющихся при делении ядра урана-238. Примерно только 1 из 5 образовавшихся нейтронов вызывает деление ядра.

Условия протекания цепной реакции в уране-235:

Минимальное количество топлива (критическая масса), необходимое для проведения управляемой цепной реакции в атомном реакторе
- скорость нейтронов должна вызывать деление ядер урана
- отсутствие примесей, поглощающих нейтроны

Критическая масса:

Если масса урана мала, нейтроны будут вылетать за его пределы, не вступая в реакцию
- если масса урана велика, возможен взрыв за счет сильного увеличения числа нейтронов
- если масса соответствует критической, протекает управляемая цепная реакция

Для урана-235 критическая масса составляет 50 кг (это, например, шар из урана диаметром 9 см).

Первая управляемая цепная реакция - США в 1942 г. (Э.Ферми)
В СССР - 1946 г. (И.В.Курчатов).

Вспомни тему "Атомная физика" за 9 класс:

Радиоактивность.
Радиоактивные превращения.
Состав атомного ядра. Ядерные силы.
Энергия связи. Дефект масс.
Деление ядер урана.
Ядерная цепная реакция.
Ядерный реактор.
Термоядерная реакция.

Другие страницы по теме "Атомная физика" за 10-11 класс:

НЕМНОГО ИЗ ИСТОРИИ

В 1930 году в Кембридже Дж. Кокрофт и Э. Уолсон расщепили атом. Руководитель Кавендишской лаборатории лорд Э. Резерфорд публично высказался по поводу этого эксперимента: «Расщепление атома, это всего лишь наиболее элегантный эксперимент и элегантность его в том и состоит, что он не имеет никакого практического применения».
___

Когда во Франции начались работы по созданию атомного оружия и, соответственно, по очистке изотопов урана, внезапно обнаружилось, что уран из окрестностей западноафриканской деревушки Окло вместо 0.71% для урана-235, годного для боеприпасов, содержит только 0.68%. Последовавшее за этим разбирательство привело к открытию уникального, поистине единственного в своем роде объекта – природного ядерного реактора ! При этом при работе этого реактора расходовалась часть урана-235.
___

Недавно человечество отметило 50-летие атомных бомбардировок Хиросимы и Нагасаки. Путь к этим трагическим событиям проходил и под главной трибуной Чикагского стадиона, где 2-го декабря 1942 года была проведена первая цепная ядерная реакция .
___

Из анекдота о том, что такое цепная реакция : «Если кто-то разгуливает неподалеку от сидящей на цепи собаки, она начинает лаять, а следом за ней - и другие собаки».

Если гипотетически соединить молибден с лантаном (см. табл. 1.2), то получится элементе массовым числом 235. Это уран-235. В такой реакции результирующий дефект массы не возрастает, а уменьшается, следовательно, для осуществления такой реакции следует затратить энергию. Из этого можно сделать вывод, что если осуществить реакцию деления ядра урана на молибден и лантан, то дефект массы при такой реакции увеличивается, а значит, реакция пойдет с выделением энергии.

После открытия английским ученым Джеймсом Чедвиком нейтрона в феврале 1932 года стало ясно, что новая частица может служить идеальным инструментом для осуществления ядерных реакций, поскольку в этом случае не будет электростатического отталкивания, препятствующего приближению частицы к ядру. Следовательно, даже нейтроны с очень низкой энергией смогут легко взаимодействовать с любым ядром.

В научных лабораториях было поставлено множество экспериментов по облучению нейтронами ядер разных элементов, в том числе урана. Считалось, что добавление нейтронов к ядру урана позволит получить так называемые трансурановые элементы, отсутствующие в природе . Однако в результате радиохимического анализа облученного нейтронами урана элементы с номеров выше 92 не обнаруживались, зато было отмечено появление радиоактивного бария (заряд ядра 56). Немецкие химики Отто Ган (1879-1968) и Фридрих Вильгельм Штрассман (1902-1980) несколько раз перепроверили результаты и чистоту исходного урана, поскольку появление бария могло свидетельствовать только о распаде урана на две части. Многие полагали, что такое невозможно.

Сообщая о своей работе в первых числах января 1939 г., О. Ган и Ф. Штрассман писали: «Мы пришли к следующему выводу: наши изотопы радия обладают свойствами бария... И следует заключить, что мы имеем здесь дело не с радием, а с барием». Однако вследствие неожиданности такого результата они не решились сделать окончательные выводы. «Как химики, - писали они, - мы должны заменить символы Ra, Ас и Th в нашей схеме... на Ва, La и Се, хотя как химики, работающие в области ядерной физики и тесно с ней связанные, мы не можем решиться на этот шаг, противоречащий предыдущим экспериментам» .

Австрийский радиохимик Лиза Мейтнер (1878-1968) и ее племянник Отто Роберт Фриш (1904-1979) обосновали возможность расщепления ядер урана с физической точки зрения сразу же после проведения Ганом и Штрассманом решающего опыта в декабре 1938 года. Мейтнер указала, что при расщеплении ядра урана образуются два более легких ядра, испускаются два-три нейтрона и выделяется огромная энергия.

Нейтронные реакции имеют особое значение для ядерных реакторов. В отличие от заряженных частиц нейтрону не требуется значительной энергии, чтобы проникнуть внутрь ядра. Рассмотрим некоторые типы взаимодействия нейтронов с веществом (нейтронные реакции), которые имеют важное практическое значение:

• упругое рассеяние zX(n,n)?X. При упругом рассеянии происходит перераспределение кинетической энергии: нейтрон отдает часть своей кинетической энергии ядру, кинетическая энергия ядра увеличивается после рассеяния именно на величину этой отдачи, а потенциальная энергия ядра (энергия связи нуклонов) остается прежней. Энергетическое состояние и структура ядра до и после рассеяния остаются неизменными. Упругое рассеяние в большей степени свойственно легким ядрам (с атомной массой менее 20 а. е. м.) при взаимодействии их с нейтронами сравнительно небольших кинетических (менее 0,1 МэВ) энергий (замедление нейтронов деления в замедлителе в активной зоне и в биологической защите, отражение в отражателе);
• неупругое рассеяние уХ[п,п" иу)?Х. При неупругом рассеянии сумма кинетических энергий ядра и нейтрона после рассеяния оказывается меньше, чем до рассеяния. Разница сумм кинетических энергий затрачивается на изменение внутренней структуры исходного ядра, что равноценно переходу ядра в новое квантовое состояние, в котором всегда имеет место избыток энергии сверх уровня устойчивости, который «сбрасывается» ядром в виде испускаемого гамма-кванта. В результате неупругого рассеяния кинетическая энергия системы ядро-нейтрон становится меньше на энергию у-квантов. Неупругое рассеяние - пороговая реакция, происходит только в быстрой области и преимущественно на тяжелых ядрах (замедление нейтронов деления в активной зоне, конструкционных материалах, биологической защите);
• радиационный захват -)Х (л,у) Л " 7 У. В этой реакции получается новый изотоп элемента, а энергия возбужденного составного ядра высвобождается в виде у-квантов. Легкие ядра обычно переходят в основное состояние, излучая один у-квант. Для тяжелых ядер характерен каскадный переход через многие промежуточные возбужденные уровни с излучением нескольких у-квантов различных энергий;
• испускание заряженных частиц у X (л, р) 7 У ; 7 Х (л,а) ? У. В результате первой реакции образуется изобара исходного ядра, поскольку протон уносит один элементарный заряд, а масса ядра практически не меняется (нейтрон привнесен, а протон - унесен). Во втором случае реакция завершается испусканием возбужденным составным ядром а-частицы (лишенного электронной оболочки ядра атома гелия 4 Не);
• деление?Х (я, несколько/? и у) - осколки деления. Основная реакция, в результате которой освобождается энергия, получаемая в ядерных реакторах, и поддерживается цепная реакция. Реакция деления происходит при бомбардировке ядер некоторых тяжелых элементов нейтронами, которые, не обладая даже большой кинетической энергией, вызывают деление этих ядер на два осколка с одновременным освобождением нескольких (обычно 2-3) нейтронов. К делению склонны лишь некоторые четно-нечетные ядра тяжелых элементов (например, 233 U, 235 U, 239 Pu, 24l Pu, 25l C0. При бомбардировке ядер урана или других тяжелых элементов нейтронами больших энергий (Е п > ЮМэВ), например нейтронами космического излучения, они могут разделить ядра на несколько осколков, и при этом вылетают (освобождаются) десятки нейтронов;
• реакция удвоения нейтронов?Х (n,2n)zX. Реакция с испусканием возбужденным составным ядром двух нейтронов, в результате которой образуется изотоп исходного элемента, с массой ядра на единицу меньшей массы исходного ядра. Для того чтобы составное ядро смогло выбросить два нейтрона, его энергия возбуждения должна быть не меньше энергии связи двух нейтронов в ядре. Энергия порога (/?, 2п) - реакции особенно низка в реакции ""Be (л, 2/?) s Be: она равна 1,63 МэВ. Для большинства изотопов энергия порога лежит в интервале от 6 до 8 МэВ.

Процесс деления удобно рассматривать по капельной модели ядра. При поглощении нейтрона ядром внутренний баланс сил в ядре нарушается, так как нейтрон вносит помимо своей кинетической энергии еще и энергию связи Е св, которая является разностью энергий свободного нейтрона и нейтрона в ядре. Сферическая форма возбужденного составного ядра начинает деформироваться и может принять форму эллипсоида (см. рис. 1.4), при этом поверхностные силы стремятся вернуть ядро к исходной форме. Если это произойдет, то ядро испустит у-квант и перейдет в основное состояние, т. е. будет иметь место реакция радиационного захвата нейтрона.

Рис. 1.4.

Если же энергия связи (возбуждения) окажется больше энергии порога деления Е сп > Е лел, то ядро может принять форму гантели и под действием кулоновских сил отталкивания разорваться по перемычке на два новых ядра - осколки деления, представляющие собой ядра различных нуклидов, находящихся в средней части Периодической системы элементов. Если энергия связи меньше порога деления, то нейтрон должен иметь кинетическую энергию > Е яел -Е св, чтобы произошло деление ядра (табл. 1.3). В противном случае он будет просто захватываться ядром, не вызывая его деления.

Таблица 1.3

Ядерно-физические характеристики некоторых нуклидов

Энергия возбуждения каждого из новых ядер существенно больше энергии связи нейтрона в этих ядрах, поэтому при переходе в основное энергетическое состояние они испускают один или несколько нейтронов, а затем у-кванты. Нейтроны и у-кванты, испускаемые возбужденными ядрами, называют мгновенными.

Ядра делящихся изотопов, находящихся в конце Периодической системы, имеют нейтронов значительно больше, чем протонов, по сравнению с ядрами нуклидов, находящихся в середине системы (для 23;> и отношение числа нейтронов к числу протонов N/Z= 1,56, а для ядер нуклидов, где Л = 70-Н60, это отношение равно 1,3-1,45). Поэтому ядра продуктов деления перенасыщены нейтронами и являются (3‘-радиоактивными.

После (3" распада ядер продуктов деления возможно образование дочерних ядер с энергией возбуждения, превышающей энергию связи нейтронов в них. В результате возбужденные дочерние ядра испускают нейтроны, которые называют запаздывающими (см. рис. 1.5). Время их выхода после акта деления определяется периодами распада этих ядер и составляет от нескольких долей секунды до 1 мин. В настоящее время известно большое количество продуктов деления, испускающих при распаде запаздывающие нейтроны, из которых основными являются изотопы йода и брома. Для практических целей наибольшее распространение нашло использование шести групп запаздывающих нейтронов. Каждая из шести групп запаздывающих нейтронов характеризуется периодом полураспада Т„ или постоянной распада X, и долей запаздывающих нейтронов в данной группе р„ или относительным выходом запаздывающих нейтронов а,. Причем la, = 1, a ip, =р - физической доле запаздывающих нейтронов. Если представить все запаздывающие нейтроны одной эквивалентной группой, то свойства этой группы будут определяться средним временем жизни ее т 3 и долей всех запаздывающих нейтронов р. Для 235 U значение т 3 = 12,4 с и р = 0,0064.

Вклад запаздывающих нейтронов в среднее число нейтронов, выделяющихся в одном акте деления, мал. Однако запаздывающие нейтроны играют решающую роль в обеспечении безопасной работы и в управлении ядерных реакторов.

Появление при делении одного ядра двух-трех нейтронов создает условия для деления других ядер (см. рис. 1.6). Реакции с размножением нейтронов протекают аналогично цепным химическим реакциям, поэтому они также названы цепными.

Рис. 1.5.

Рис. 1.6.

Необходимое условие поддержания цепной реакции заключается в том, чтобы при делении каждого ядра производился в среднем по крайней мере один нейтрон, вызывающий деление другого ядра. Это условие удобно выразить, вводя коэффициент размножения к , определяемый как отношение числа нейтронов какого-либо одного поколения к числу нейтронов в предшествующем поколении. Если коэффициент размножения к равен единице или немного больше, то цепная реакция возможна; если же? к = 1 к началу второго поколения будет 200 нейтронов, третьего - 200 и т. д. Если к > 1, например к = 1,03, то, начав с 200 нейтронов, к началу второго поколения будет 200-1,03 = 206 нейтронов, третьего - 206-1,03 нейтронов, к началу п- го поколения - 200- (1,03)п - 1, т. е., например, в сотом поколении будет 3731 нейтрон. В ядерном реакторе среднее время существования нейтронов от момента рождения до их поглощения очень мало и составляет 10 -4 - 10 _3 с, т. е. за 1 с произойдут последовательно деления в 1 000-10000 поколениях нейтронов. Таким образом, нескольких нейтронов может быть достаточно для начала быстро растущей цепной реакции. Чтобы такая система не вышла из-под контроля, необходимо ввести в нее поглотитель нейтронов. Если же к 1 и равен, например, 0,9, то число нейтронов к следующему поколению уменьшится от 200 до 180, к третьему до 180-0,9, и т.д. К началу 50-го поколения останется один нейтрон, способный вызвать деление. Следовательно, цепная реакция при таких условиях протекать не может.

Однако в реальных условиях не все нейтроны вызывают деление. Часть нейтронов теряется при захвате неделящимися ядрами (урана-238, замедлителя, конструкционных материалов и т. п.), другая часть вылетает из объема делящегося материала наружу (утечка нейтронов). Эти потери нейтронов влияют на ход цепной реакции деления ядер.

Энергия нейтронов в момент их рождения очень высока - они движутся со скоростью несколько тысяч километров в секунду, поэтому их называют быстрыми нейтронами. Энергетический спектр нейтронов деления довольно широк - примерно от 0,01 до 10 МэВ. При этом средняя энергия вторичных нейтронов около 2 МэВ. В результате столкновений нейтронов с ядрами окружающих атомов их скорость быстро уменьшается. Этот процесс называется замедлением нейтронов. Особенно эффективно замедляются нейтроны при соударении с ядрами легких элементов (упругое столкновение). При взаимодействии с ядрами тяжелых элементов происходит неупругое столкновение, и нейтрон замедляется менее эффективно. Здесь для иллюстрации можно провести аналогию с теннисным шариком: при ударе о стенку он отскакивает почти с такой же скоростью, а при ударе о такой же шарик он сильно замедляет свою скорость. Вследствие этого в качестве замедлителей в ядерных реакторах 1 (в дальнейшем - реактор) используют воду, тяжелую воду или графит.

В результате столкновений с ядрами замедлителя нейтрон может замедлиться до скорости теплового движения атомов, т. е. до нескольких километров в секунду. Такие замедленные нейтроны в ядерной физике принято называть тепловыми или медленными. Чем медленнее нейтрон, тем больше вероятность того, что он не пролетит мимо ядра атома. Причина такой зависимости сечения ядра от скорости налетающих нейтронов лежит в двойственной природе самого нейтрона. В ряде явлений и процессов нейтрон ведет себя как частица, однако в некоторых случаях он представляет собой сгусток волн. При этом оказывается, что чем меньше его скорость, тем больше длина его волны и его размер. Если нейтрон очень медленный, то его размер может оказаться в несколько тысяч раз больше размера ядра, поэтому так сильно возрастает площадь, попав в которую нейтрон взаимодействует с ядром. Физики называют эту плошадь сечением ядра (а не налетающего нейтрона).

Тяжелая вода (D20) - разновидность воды, в которой обыкновенный водородзаменен его тяжелым изотопом - дейтерием, содержание которой в обычной водесоставляет 0,015%. Плотность тяжелой воды равна 1,108 (по сравнению с 1,000 дляобычной воды); тяжелая вода замерзает при 3,82 "С и кипит при 101,42 "С, тогда каксоответствующие температуры для обычной воды 0 и 100 °С. Таким образом, различие физических свойств легкой и тяжелой воды довольно значительно.

Как этот процесс был открыт и описан. Раскрывается его применение в качестве источника энергии и ядерного оружия.

«Неделимый» атом

Двадцать первый век изобилует такими выражениями, как «энергия атома», «ядерные технологии», «радиоактивные отходы». То и дело в газетных заголовках мелькают сообщения о возможности радиоактивного загрязнения почвы, океанов, льдов Антарктики. Однако обыкновенный человек часто не очень хорошо себе представляет, что это за область науки и как она помогает в повседневной жизни. Начать стоит, пожалуй, с истории. С самого первого вопроса, который задавал сытый и одетый человек, его интересовало, как устроен мир. Как видит глаз, почему слышит ухо, чем вода отличается от камня - вот что исстари волновало мудрецов. Еще в древней Индии и Греции некоторые пытливые умы предположили, что существует минимальная частица (её еще называли «неделимой»), обладающая свойствами материала. Средневековые химики подтвердили догадку мудрецов, и современное определение атома следующее: атом - это наименьшая частица вещества, которая является носителем его свойств.

Части атома

Однако развитие технологии (в частности, фотографии) привело к тому, что атом перестал считаться наименьшей возможной частицей вещества. И хотя отдельно взятый атом электронейтрален, ученые достаточно быстро поняли: он состоит из двух частей с разными зарядами. Количество положительно заряженных частей компенсирует количество отрицательных, таким образом, атом остается нейтральным. Но однозначной модели атома не существовало. Так как в тот период все еще господствовала классическая физика, то высказывались различные предположения.

Модели атома

Поначалу была предложена модель «булка с изюмом». Положительный заряд как бы заполнял собой все пространство атома, и в нем, как изюм в булке, распределялись отрицательные заряды. Знаменитый определил следующее: в центре атома расположен очень тяжелый элемент с положительным зарядом (ядро), а вокруг располагаются значительно более легкие электроны. Масса ядра в сотни раз тяжелее суммы всех электронов (оно составляет 99,9 процентов от массы всего атома). Таким образом, родилась планетарная модель атома Бора. Однако некоторые из её элементов противоречили принятой на тот момент классической физике. Поэтому была разработана новая, квантовая механика. С ее появлением начался неклассический период науки.

Атом и радиоактивность

Из всего сказанного выше становится понятно, что ядро - это тяжелая, положительно заряженная часть атома, которая составляет его основную массу. Когда и положений электронов на орбите атома были хорошо изучены, пришло время понять природу атомного ядра. На помощь пришла гениальная и неожиданно открытая радиоактивность. Она помогла раскрыть сущность тяжелой центральной части атома, так как источник радиоактивности - деление ядер. На рубеже девятнадцатого и двадцатого столетия, открытия сыпались одно за другим. Теоретическое решение одной задачи вызывало необходимость ставить новые опыты. Результаты экспериментов порождали теории и гипотезы, которые требовалось подтвердить или опровергнуть. Зачастую величайшие открытия появлялись просто потому, что именно таким образом формула становилась удобной для вычислений (как, например, квант Макса Планка). Еще в начале эры фотографии ученые знали: урановые соли засвечивают светочувствительную пленку, но они не подозревали, что в основе этого явления лежит деление ядер. Поэтому радиоактивность изучали, чтобы понять природу распада ядра. Очевидно, что излучение порождались квантовыми переходами, но было не до конца ясно, какими именно. Чета Кюри добывала чистые радий и полоний, обрабатывая практически вручную урановую руду, чтобы получить ответ на этот вопрос.

Заряд радиоактивного излучения

Резерфорд много сделал для изучения строения атома и внес вклад и в исследование того, как происходит деление ядра атома. Ученый поместил излучение, выделяющееся радиоактивным элементом, в магнитное поле и получил потрясающий результат. Оказалось, что радиация состоит из трех компонентов: одна была нейтральной, а две другие - положительно и отрицательно заряженными. Изучение деления ядра началось с определения его составляющих. Было доказано, что ядро может делиться, отдавать часть своего положительного заряда.

Строение ядра

Позже выяснилось, что атомное ядро состоит не только из положительно заряженных частиц протонов, но и нейтральных частиц нейтронов. Все вместе они называются нуклонами (от английского «nucleus», ядро). Однако, ученые вновь натолкнулись на проблему: масса ядра (то есть количество нуклонов) не всегда соответствовала его заряду. У водорода ядро имеет заряд +1, а масса может быть и три, и два, и один. У следующего за ним в периодической таблице гелия заряд ядра +2, при этом его ядро содержит от 4 до 6 нуклонов. Более сложные элементы могут иметь гораздо большее количество разных масс при одном и том же заряде. Такие вариации атомов называются изотопами. Причем некоторые изотопы оказались вполне устойчивыми, другие же быстро распадались, так как для них было характерно деление ядер. Какому принципу отвечало количество нуклонов устойчивости ядер? Почему добавление всего лишь одного нейтрона к тяжелому и вполне стабильному ядру приводило к его расколу, к выделению радиоактивности? Как ни странно, ответ на этот важный вопрос до сих пор не найден. Опытным путем выяснилось, что определенным количествам протонов и нейтронов соответствуют устойчивые конфигурации атомных ядер. Если в ядре 2, 4, 8, 50 нейтронов и/или протонов, то ядро однозначно будет устойчивым. Эти числа даже называют магическими (и назвали их так взрослые ученые, ядерные физики). Таким образом, деление ядер зависит от их массы, то есть от количества входящих в них нуклонов.

Капля, оболочка, кристалл

Определить фактор, который отвечает за устойчивость ядра, на данный момент не удалось. Существует множество теорий модели Три самые знаменитые и разработанные зачастую противоречат друг другу в разных вопросах. Согласно первой, ядро - это капля специальной ядерной жидкости. Как и для воды, для него характерны текучесть, поверхностное натяжение, слияние и распад. В оболочечной модели в ядре тоже существуют некие уровни энергии, которые заполняются нуклонами. Третья утверждает, что ядро - среда, которая способна преломлять особые волны (дебройлевские), при этом коэффициент преломления - это Однако ни одна модель пока не смогла в полной мере описать, почему при определенной критической массе именно этого химического элемента, начинается расщепление ядра.

Каким бывает распад

Радиоактивность, как уже было сказано выше, была обнаружена в веществах, которые можно найти в природе: уране, полонии, радии. Например, только что добытый, чистый уран радиоактивен. Процесс расщепления в данном случае будет спонтанным. Без каких-либо внешних воздействий определенное количество атомов урана испустит альфа-частицы, самопроизвольно преобразуясь в торий. Есть показатель, который называется периодом полураспада. Он показывает, за какой промежуток времени от начального числа части останется примерно половина. Для каждого радиоактивного элемента период полураспада свой - от долей секунды для калифорния до сотен тысяч лет для урана и цезия. Но существует и вынужденная радиоактивность. Если ядра атомов бомбардировать протонами или альфа-частицами (ядрами гелия) с высокой кинетической энергией, то они могут «расколоться». Механизм превращения, конечно, отличается от того, как разбивается любимая мамина ваза. Однако некая аналогия прослеживается.

Энергия атома

Пока что мы не ответили на вопрос практического характера: откуда при делении ядра берется энергия. Для начала надо пояснить, что при образовании ядра действуют особые ядерные силы, которые называются сильным взаимодействием. Так как ядро состоит из множества положительных протонов, остается вопрос, как они держатся вместе, ведь электростатические силы должны достаточно сильно отталкивать их друг от друга. Ответ одновременно и прост, и нет: ядро держится за счет очень быстрого обмена между нуклонами особыми частицами - пи-мезонами. Эта связь живет невероятно мало. Как только прекращается обмен пи-мезонами, ядро распадается. Также точно известно, что масса ядра меньше суммы всех составляющих его нуклонов. Этот феномен получил название дефекта масс. Фактически недостающая масса - это энергия, которая затрачивается на поддержание целостности ядра. Как только от ядра атома отделяется какая-то часть, эта энергия выделяется и на атомных электростанциях преобразуется в тепло. То есть энергия деления ядра - это наглядная демонстрация знаменитой формулы Эйнштейна. Напомним, формула гласит: энергия и масса могут превращаться друг в друга (E=mc 2).

Теория и практика

Теперь расскажем, как это сугубо теоретическое открытие используется в жизни для получения гигаватт электроэнергии. Во-первых, необходимо отметить, что в управляемых реакциях используется вынужденное деление ядер. Чаще всего это уран или полоний, которые бомбардируется быстрыми нейтронами. Во-вторых, нельзя не понимать, что деление ядер сопровождается созданием новых нейтронов. В результате количество нейтронов в зоне реакции способно нарастать очень быстро. Каждый нейтрон сталкивается с новыми, еще целыми ядрами, расщепляет их, что приводит к росту выделения тепла. Это и есть цепная реакция деления ядер. Неконтролируемый рост количества нейтронов в реакторе способен привести к взрыву. Именно это и произошло в 1986 году на Чернобыльской АЭС. Поэтому в зоне реакции всегда присутствует вещество, которое поглощает лишние нейтроны, предотвращая катастрофу. Это графит в форме длинных стержней. Скорость деления ядер можно замедлить, погружая стрежни в зону реакции. Уравнение составляется конкретно для каждого действующего радиоактивного вещества и бомбардирующих его частиц (электроны, протоны, альфа-частицы). Однако конечный выход энергии подсчитывается согласно закону сохранения: Е1+Е2=Е3+Е4. То есть полная энергия исходного ядра и частицы (Е1+Е2) должно быть равным энергии получившегося ядра и выделившейся в свободном виде энергии (Е3+Е4). Уравнение ядерной реакции также показывает, какое вещество получается в результате распада. Например, для урана U=Th+He, U=Pb+Ne, U=Hg+Mg. Здесь не приведены изотопы химических элементов, однако это важно. Например, существует целых три возможности деления урана, при которых образуются различные изотопы свинца и неона. Почти в ста процентах случаев реакция деления ядра дает радиоактивные изотопы. То есть при распаде урана получается радиоактивный торий. Торий способен распасться до протактиния, тот - до актиния, и так далее. Радиоактивными в этом ряду могут быть и висмут, и титан. Даже водород, содержащий в ядре два протона (при норме один протон), называется иначе - дейтерий. Вода, образованная с таким водородом, называется тяжелой и заполняет первый контур в ядерных реакторах.

Немирный атом

Такие выражения, как «гонка вооружений», «холодная война», «ядерная угроза» современному человеку могут показаться историческими и неактуальными. Но когда-то каждый выпуск новостей почти по всему миру сопровождался репортажами о том, сколько изобретено видов ядерного оружия и как надо с этим бороться. Люди строили подземные бункеры и делали запасы на случай ядерной зимы. Целые семьи работали на создание убежища. Даже мирное использование реакций деления ядер может привести к катастрофе. Казалось бы, Чернобыль научил человечество аккуратности в этой сфере, но стихия планеты оказалась сильнее: землетрясение в Японии повредило весьма надежные укрепления АЭС «Фукусима». Энергию ядерной реакции использовать для разрушения гораздо легче. Технологам необходимо лишь ограничить силу взрыва, чтобы не разрушить ненароком всю планету. Наиболее «гуманные» бомбы, если их можно так назвать, не загрязняют окрестности радиацией. В целом чаще всего они используют неконтролируемую цепную реакцию. То, чего на атомных электростанциях стремятся всеми силами избежать, в бомбах добиваются весьма примитивным способом. Для любого естественно радиоактивного элемента существует некоторая критическая масса чистого вещества, в котором цепная реакция зарождается сама собой. Для урана, например, это всего пятьдесят килограммов. Так как уран очень тяжелый, это лишь небольшой металлический шарик 12-15 сантиметров в диаметре. Первые атомные бомбы, сброшенные на Хиросиму и Нагасаки, были сделаны именно по такому принципу: две неравные части чистого урана просто соединялись и порождали ужасающий взрыв. Современное оружие, вероятно, более сложное. Однако про критическую массу не стоит забывать: между небольшими объемами чистого радиоактивного вещества при хранении должны быть преграды, не позволяющие соединиться частям.

Источники радиации

Все элементы с зарядом атомного ядра больше 82 радиоактивны. Почти все более легкие химические элементы обладают радиоактивными изотопами. Чем тяжелее ядро, тем меньше его время жизни. Некоторые элементы (типа калифорния) можно добыть только искусственным путем - сталкивая тяжелые атомы с более легкими частицами, чаще всего на ускорителях. Так как они очень нестабильны, в земной коре их нет: при формировании планеты они очень быстро распались на другие элементы. Вещества с более легкими ядрами, например уран, вполне можно добывать. Процесс этот долгий, пригодного к добыче урана даже в очень богатых рудах содержится менее одного процента. Третий путь, пожалуй, указывает на то, что новая геологическая эпоха уже началась. Это добыча радиоактивных элементов из радиоактивных отходов. После отработки топлива на электростанции, на подлодке или авианосце, получается смесь исходного урана и конечного вещества, результата деления. На данный момент это считается твердыми радиоактивными отходами и стоит острый вопрос, как их захоранивать так, чтобы они не загрязнили окружающую среду. Однако есть вероятность, что в недалеком будущем уже готовые концентрированные радиоактивные вещества (к примеру, полоний), будут добывать из этих отходов.

Освобождение энергии при делении ядер. Так же как и в других ядерных реакциях, энергия, освобождающаяся при делении, эквивалентна разности масс взаимодействующих частиц и конечных продуктов. Так как энергия связи нуклона в уране а энергия связи одного нуклона в осколках при делении урана должна выделяться энергия

Таким образом, при делении ядра освобождается огромная энергия, подавляющая ее часть выделяется в виде кинетической энергии осколков деления.

Распределение продуктов деления по массам. Ядро урана в большинстве случаев делится несимметрично. Два ядерных осколка имеют соответственно разные скорости и разные массы.

Осколки по массам распадаются на две группы; одна вблизи криптона с другая вблизи ксенона Массы осколков относятся друг к другу в среднем как Из за-конов сохранения энергии и импульса можно получить, что кинетические энергии осколков должны быть обратно пропорциональны их массам:

Кривая выхода продуктов деления симметрична относительно вертикальной прямой, проходящей через точку Значительная ширина максимумов свидетельствует о многообразии путей деления.

Рис. 82. Распределение продуктов деления урана по массам

Перечисленные характеристики относятся главным образом к делению под действием тепловых нейтронов; в случае деления под действием нейтронов с энергией в несколько и больше, ядро распадается на два более симметричных по массам осколка.

Свойства продуктов деления. При делении атома урана происходит срыв очень многих электронов оболочки, и осколки деления представляют собой приблизительно -кратно ионизованные положительные ионы, которые при прохождении через вещество сильно ионизуют атомы. Поэтому пробеги осколков в воздухе небольшие и близки к 2 см.

Легко установить, что образующиеся при делении осколки должны быть радиоактивными, склонными к испусканию нейтронов. Действительно, у стабильных ядер отношение числа нейтронов и протонов меняется в зависимости от А следующим образом:

(см. скан)

Ядра, которые образовались при делении, лежат в середине таблицы и, следовательно, содержат больше нейтронов, чем это допустимо для их стабильности. Освобождаться от лишних нейтронов они могут как путем -распада, так и непосредственно испуская нейтроны.

Запаздывающие нейтроны. В одном из возможных вариантов деления образуется радиоактивный бром. На рис. 83 показана схема его распада, в конце которой находятся стабильные изотопы

Интересна особенность этой цепочки: криптон может освобождаться от лишнего нейтрона либо за счет -распада, либо если он образовался в возбужденном состоянии за счет прямого испускания нейтрона. Эти нейтроны появляются через 56 сек после деления (время жизни относительно -перехода в возбужденное состояние хотя сам испускает нейтроны практически мгновенно.

Рис. 83. Схема распада радиоактивного брома, образованного в возбужденном состоянии при делении урана

Они называются запаздывающими нейтронами. Со временем интенсивность запаздывающих нейтронов спадает по экспоненте, как при обычном радиоактивном распаде.

Энергия этих нейтронов равна энергии возбуждения ядра. Хотя они составляют лишь 0,75% от всех нейтронов, вылетающих при делении, в осуществлении цепной реакции запаздывающие нейтроны играют важную роль.

Мгновенные нейтроны. Свыше 99% нейтронов освобождается в течение чрезвычайно короткого времени; их называют мгновенными нейтронами.

При изучении процесса деления возникает фундаментальный вопрос, сколько нейтронов получается в одном акте деления; этот вопрос важен потому, что если их число в среднем велико они могут быть использованы для деления последующих ядер, т. е. возникает возможность создания цепной реакции. Над разрешением этого вопроса в 1939-1940 гг. работали практически во всех крупнейших ядерных лабораториях мира.

Рис. 84. Энергетический спектр нейтронов полученных при делении урана-235

Распределение энергии деления. Непосредственное измерение энергии осколков и энергии, уносимой другими продуктами деления, дало следующее приближенное распределение энергии