 |
АвтоАвтоматизацияАрхитектураАстрономияАудитБиологияБухгалтерияВоенное делоГенетикаГеографияГеологияГосударствоДомДругоеЖурналистика и СМИИзобретательствоИностранные языкиИнформатикаИскусствоИсторияКомпьютерыКулинарияКультураЛексикологияЛитератураЛогикаМаркетингМатематикаМашиностроениеМедицинаМенеджментМеталлы и СваркаМеханикаМузыкаНаселениеОбразованиеОхрана безопасности жизниОхрана ТрудаПедагогикаПолитикаПравоПриборостроениеПрограммированиеПроизводствоПромышленностьПсихологияРадиоРегилияСвязьСоциологияСпортСтандартизацияСтроительствоТехнологииТорговляТуризмФизикаФизиологияФилософияФинансыХимияХозяйствоЦеннообразованиеЧерчениеЭкологияЭконометрикаЭкономикаЭлектроникаЮриспунденкция
Энергия связи
Хотя ядро состоит из нуклонов, однако масса ядра - это не просто сумма масс нуклонов. Энергия, которая удерживает вместе эти нуклоны, наблюдается как разница в массе ядра и массах составляющих его отдельных нуклонов, с точностью до коэффициента c 2, связывающего массу и энергию уравнением 
Таким образом, определив массу атома и массу его компонент, можно определить среднюю энергию на нуклон, удерживающую вместе различные ядра.
Из графика можно видеть, что очень лёгкие ядра имеют меньшую энергию связи на нуклон, чем ядра, которые немного тяжелее (в левой части графика). Это является причиной того, что в термоядерных реакциях (т.е. при слиянии лёгких ядер) выделяется энергия. И наоборот, очень тяжёлые ядра в правой части графика имеют более низкую энергию связи на нуклон, чем ядра средней массы. В связи с этим деление тяжёлых ядер также энергетически выгодно (т.е. происходит с выделением ядерной энергии). Следует отметить также, что при слиянии (в левой части) разница масс гораздо больше, чем при делении (в правой части).
Энергия, которая требуется, чтобы разделить полностью ядро на отдельные нуклоны, называется энергией связи E с ядра. Удельная энергия связи (то есть энергия связи, приходящаяся на один нуклон,ε = E с/ A, где A — число нуклонов в ядре, или массовое число), неодинакова для разных химических элементов и даже для изотопов одного и того же химического элемента. Удельная энергия связи нуклона в ядре меняется в среднем в пределах от 1 МэВ у лёгких ядер (дейтерий) до 8,6 МэВ у ядер средней массы (с массовым числом А ≈ 100). У тяжёлых ядер (А ≈ 200) удельная энергия связи нуклона меньше, чем у ядер средней массы, приблизительно на 1 МэВ, так что их превращение в ядра среднего веса (деление на 2 части) сопровождается выделением энергии в количестве около 1 МэВ на нуклон, или около 200 МэВ на ядро. Превращение лёгких ядер в более тяжёлые ядра даёт ещё больший энергетический выигрыш в расчёте на нуклон. Так, например, реакция соединения ядер дейтерия и трития
1D2+1T3 → 2He4+0 n 1
сопровождается выделением энергии 17,6 МэВ, то есть 3,5 МэВ на нуклон[16].
Деление ядер
Э. Ферми после открытия нейтрона провёл серию экспериментов, в которых различные ядра бомбардировались этими новыми частицами. В этих экспериментах обнаружено, что нейтроны низкой энергии часто поглощаются ядром с испусканием фотона (так называемый радиоактивный захват нейтрона).
Чтобы исследовать эту реакцию, эксперимент систематически повторялся для всех элементов периодической таблицы. В результате были обнаружены новые радиоактивные изотопы элементов, служивших мишенями. Однако при облучении урана был обнаружен ряд других, лёгких элементов. Лиза Мейтнер, Отто Ган и Фриц Штрассман смогли это объяснить, предположив, что ядро урана при захвате нейтрона разделится на две примерно равные массы. Действительно, в продуктах реакции был обнаружен барий с атомной массой около половины массы урана. Позже было обнаружено, что это деление происходило не во всех изотопах урана, но только в235U. А ещё позже стало известно, что это деление может привести к множеству различных элементов, распределение которых по массе напоминает двойной горб верблюда.
При делении урана тепловым нейтроном возникает не только два более лёгких ядра (осколка деления), но также излучаются 2 или 3 (в среднем 2,5 для 235U) нейтрона, имеющие высокую кинетическую энергию. Для урана, как тяжёлого ядра, не выполняется соотношение N ≈ Z (равное число протонов и нейтронов), которое имеет место для более лёгких элементов, так что продукты деления нейтронно-избыточны. В результате эти продукты деления оказываются бета-радиоактивными: избыточные нейтроны ядра постепенно превращаются в протоны (с испусканием бета-частиц), а само ядро, сохраняя массовое число, движется по изобарической цепочке к ближайшему на ней бета-стабильному ядру. Деление 235U может произойти в более чем 40 вариантах, что порождает более 80 различных продуктов деления, которые, в свою очередь, распадаясь, формируют цепочки распада, так что в конечном счёте продукты деления урана включают около 200 нуклидов (непосредственно или как дочерние нуклиды).
Энергия, выделяющаяся при делении каждого ядра 235U, составляет в среднем около 200 МэВ. Минералы, используемые для добычи урана, содержат, как правило, около 1 г на кг урановой руды (настуран, например). Поскольку изотопное содержание235U в природном уране всего 0,7 %, получаем, что на каждый килограмм добытой руды будет приходиться 1,8·1019 атомов235U. Если все эти атомы 235U из 1 грамма урана поделятся, то выделится 3,6·1027 эВ = 5,8·108 Дж энергии. Для сравнения, при сжигании 1 кг угля наилучшего качества (антрацит) выделяется энергия около 4·107 Дж энергии, то есть для получения ядерной энергии, содержащейся в 1 кг природного урана, необходимо сжечь более 10 тонн антрацита.
Появление 2,5 нейтронов на акт деления позволяет осуществить цепную реакцию, если из этих 2,5 нейтронов как минимум один сможет произвести новое деление ядра урана. Обычно испускаемые нейтроны не делят ядра урана сразу же, но сначала должны быть замедлены до тепловых скоростей (2200 м/с при T =300 K). Замедление достигается наиболее эффективно с помощью окружающих атомов другого элемента с малым A, например водорода, углерода и т. п. материала, называемого замедлителем.
Некоторые другие ядра также могут делиться при захвате медленных нейтронов, например 233U или 239Pu. Однако возможно также деление быстрыми нейтронами (высокой энергии) таких ядер как 238U (его в 140 раз больше, чем 235U) или 232Th (его в земной коре в 400 раз больше, чем 235U).
Элементарная теория деления была создана Нильсом Бором и Дж. Уилером с использованием капельной модели ядра.
Деление ядер также может быть достигнуто с помощью быстрых альфа-частиц, протонов или дейтронов. Однако эти частицы, в отличие от нейтронов, должны иметь большую энергию для преодоления кулоновского барьера ядра.
Поиск по сайту: