Реакції поділу важких ядер

У 1939 році німецькі фізики Ган та Штрассман, опромінюючи нейтронами уран, виявили в продуктах реакції елемент середньої частини таблиці Мендєлєєва. Цей елемент був барієм. При повторних дослідженнях Ірен Жоліо-Кюрі виявила в продуктах реакції лантан.

Аналізуючи ці відкриття, німецькі вчені Мейтнер та Фріш дійшли висновку, що ядро урану має порівняно незначну стійкість, і після захоплення нейтрона може ділитись на два ядра-уламки приблизно однакового розміру. Оскільки в них відношення числа нейтронів до числа протонів дуже велике, ці уламки повинні бути нестійкими і давати ряди β -розпаду.

Важкі ядра можуть перетворюватися на кілька легших ядер-уламків. Такий процес, або таку ядерну реакцію, називають поділом ядра. Установлено, що поділятися можуть ядра, для яких виконується умова:

,

де Z – порядковий номер елементу в періодичній системі елементів, А – кількість нуклонів у ядрі.

Умова виконується для всіх ядер, починаючи з ізотопу срібла . Для нього . За інших однакових умов більша ймовірність поділу саме більш важких ядер. Важкі ядра, для яких , зовсім не стійкі і не можуть існувати. Відомі реакції поділу, які відбуваються самовільно. Г.Флеров і К.Петржак відкрили такий спонтанний поділ ядер урану. Він відбувається дуже рідко. Період піврозпаду такого процесу становить близько років.

Найбільший інтерес становлять реакції поділу, які відбуваються після поглинання ядром будь-якої елементарної частинки. Найлегше поділ відбувається під час захоплення ядром нейтрона, якому не по­трібно долати кулонівський бар'єр, щоб проникнути в ядро. Хоча при відповідних енергіях ядро здатне захопити g- квант, і протон, і дейтрон, та інші елементарні частинки і потім поділитися. Практи­чний інтерес становить реакція поділу ядер урану, плутонію і торію, які використовують на атомних станціях для виробництва електроенергії.

Наведемо приклад поділу ядра урану-235 під час захоплення ним повільного нейтрона з енергією :

.

Це зовсім не єдиний варіант поділу. Унаслідок поділу можуть утворюватися й інші ядра-уламки. Оскільки важкі ядра перевантажені нейтронами, то одночасно з утворенням ядер-уламків виділяються вільні нейтрони. Під час кожного поділу виділяються два або три нейтрони. При поділі 1 г урану виділяється енергія, в кілька мільйонів разів більша за енергію, отриману при згорянні 1 г нафти або вугілля. Основну частину енергії становить кінетична енергія уламків (до 168 МеВ). Решта залишається g- квантам. Ядра-уламки перебувають у збудженому стані, тому витримують цілу низку послідовних розпадів із випромінюванням різних елементарних частинок.

Пізніші дослідження підтвердили, що ядро урану під дією нейтрона ділиться на дві частинки, відношення мас яких можуть бути дуже різними; всіх їх близько 80. Проте найбільш ймовірним є поділ ядер урану на уламки, маси яких відносяться як 2: 3.

При поділі одного ядра виділяється близько 200 МеВ енергії. Процес поділу ядра добре пояснюється крапельною моделлю ядра: ядро, захоплюючи нейтрон, збуджується і починає деформуватись, набуваючи витягнутої форми; дія ядерних сил при цьому послаблюється, і ядро при цьому починає витягуватись під дією кулонівських сил. Коли ці сили за модулем стають більші від ядерних сил, ядро розривається на два уламки, при цьому звільняються 2-3 нейтрони (це залежить від енергії нейтрона, який захоплюється ядром).

Ядра 1 та 2 (рис. 3.1) − це “уламки” ядра урану, що відповідають середній частині періодичної системи Мендєлєєва.

Нейтрони виділяються внаслідок цієї взаємодії тому, що “уламки”, які утворюються, перевантажені нейтронами, а відомо, що будь-яка система прямує до такого енергетичного стану, щоб її енергія була мінімальною. Процес звільнення принаймні двох нейтронів забезпечує ланцюгову ядерну реакцію.

Ланцюгова ядерна реакція супроводжується виділенням великої кількості енергії, і тому для її характеристики вводиться коефіцієнт розмноження нейтронів

,

де − кількість нейтронів попереднього покоління; − кількість нейтронів останнього покоління.

При > 1 ланцюгова реакція розподілу ядер урану відбувається у вигляді вибуху; при < 1 реакція поділу не відбувається; якщо , реакція поділу відбувається стаціонарно.

Реакція відбувається як під дією повільних, так і швидких нейтронів. Так ділиться один з ізотопів урану (235), але під дією повільних нейтронів реакція відбувається ефективніше.

Ланцюгова реакція в чистому урані-235 може розвиватися лише при певній його кількості. При незначній кількості урану нейтрони від розпаду одного ядра можуть вилітати назовні і не влучати в інші ядра. Мінімальну кількість урану-235, при якій може розвиватися ланцюгова реакція, називають критичною кількістю (масою). За розрахунками В.Гейзенберга, для урану-235 вона дорівнює приблизно 9 кг. При перевищенні критичної маси урану-235 або плутонію-239 нейтрони розмножуються настільки швидко, що ланцюгова реакція набуває характеру вибуху. Вибух виникає сам по собі завдяки довільному розпаду урану або ж попаданню в нього нейтронів з космічного про­міння. Тому зберігати уран-235 або плутоній-239 можна лише в кількостях, менших від критичної.

В атомній бомбі (рис. 3.2) вибух виникає тоді, коли два шматки 1 і 2 майже чистого урану-235 або плутонію-239, маси яких менші від критичних, зводяться в один. Для щільного з'єднання їх використовується звичайна вибухова речовина 3 (запал). Масивна металева оболонка 4 призначена для відбивання нейтронів, а також для утримання ядерного заряду від розпилення, доки не прореагує значна його кількість. Ланцюгова реакція відбувається на швидких нейтронах. Вибух атомної бомби супроводжується виділенням величезної кількості енергії, завдяки чому в зоні вибуху температура підвищується до десятків мільйонів градусів, а тиск досягає мільйонів атмосфер. Вибух супроводжується також інтенсивним радіоактивним випромінюванням ядерних уламків. За енергією вибуху одна атомна бомба еквівалентна вибуху 25 000 т тротилу, але є атомні бомби еквівалентом і 100, 200 Мт тротилу.

Поиск по сайту: