Поділ важких ядер

У 1934 р. Е. Фермі вирішив отримати трансуранові елементи, опромінюючи 238 U нейтронами. Ідея Е. Фермі полягала в тому, що в результаті β-розпаду ізотопу 239 U утворюється хімічний елемент з порядковим номером Z = 93. Однак ідентифікувати утворення 93-го елемента не вдавалося. Натомість у результаті радіохімічного аналізу радіоактивних елементів, виконаного О.Ганом і Ф.Штрассманом, було показано, що одним із продуктів опромінення урану нейтронами є барій (Z = 56) – хімічний елемент середньої атомної ваги, у той час як згідно з припущенням теорії Фермі мали виходити трансуранові елементи.
Л. Мейтнер та О. Фріш висловили припущення, що внаслідок захоплення нейтрону ядром урану відбувається розвал складеного ядра на дві частини

92 U + n → 56 Ba + 36 Kr + xn.

Процес поділу урану супроводжується появою вторинних нейтронів (x > 1), здатних викликати поділ інших ядер урану, що відкриває потенційну можливість виникнення ланцюгової реакції поділу – один нейтрон може дати початок розгалуженому ланцюгу поділів ядер урану. При цьому кількість ядер, що розділилися, повинна зростати експоненційно. Н. Бор та Дж. Уіллер розрахували критичну енергію необхідну, щоб ядро ​​236 U, що утворилося в результаті захоплення нейтрону ізотопом 235 U, розділилося. Ця величина дорівнює 6,2 МеВ, що менше енергії збудження ізотопу 236 U, що утворюється при захопленні теплового нейтрону 235 U. Тому при захопленні теплових нейтронів можлива ланцюгова реакціяподілу 235 U. Для найбільш поширеного ізотопу 238 U критична енергія дорівнює 5,9 МеВ, у той час як при захопленні теплового нейтрона енергія збудження ядра, що утворився, 239 U становить тільки 5,2 МеВ. Тому ланцюгова реакція поділу найбільш поширеного в природі ізотопу 238 U під дією теплових нейтронів виявляється неможливою. В одному акті поділу вивільняється енергія ≈ 200 МеВ (для порівняння хімічних реакціяхгоріння в одному акті реакції виділяється енергія ≈ 10 еВ). Можливості створення умов для ланцюгової реакції поділу відкрили перспективи використання енергії ланцюгової реакції для створення атомних реакторів та атомної зброї. Перший ядерний реактор був побудований Е. Фермі в США в 1942 р. У СРСР перший ядерний реактор був запущений під керівництвом І. Курчатова в 1946 р. У 1954 р. в Обнінську почала працювати перша в світі атомна електростанція. В даний час електрична енергія виробляється приблизно у 440 ядерних реакторах у 30 країнах світу.
У 1940 р. Г.Флеров і К.Петржак відкрили спонтанний поділ урану. Про складність проведення експерименту свідчать такі цифри. Парціальний період напіврозпаду по відношенню до спонтанного поділу ізотопу 238 U становить 10 16 -10 17 років, в той час як період розпаду ізотопу 238 U становить 4.5 10 9 років. Основним каналом розпаду ізотопу 238 U є α-розпад. Для того, щоб спостерігати спонтанне поділ ізотопу 238 U, потрібно було реєструвати один акт поділу на фоні 107-108 актів α-розпаду.
Імовірність спонтанного поділу переважно визначається проникністю бар'єру поділу. Імовірність спонтанного поділу збільшується із збільшенням заряду ядра, т.к. при цьому збільшується параметр розподілу Z2/A. В ізотопах Z< 92-95 деление происходит преимущественно с образованием двух осколков деления с отношением масс тяжёлого и лёгкого осколков 3:2. В изотопах Z >100 переважає симетричний поділ з утворенням однакових за масою уламків. Зі збільшенням заряду ядра частка спонтанного поділу порівняно з α-розпадом збільшується.

Ізотоп	Період напіврозпаду	Канали розпаду
235 U	7.04·10 8 років	α (100%), SF (7 · 10 -9%)
238 U	4.47·10 9 років	α (100%), SF (5.5 · 10 -5%)
240 Pu	6.56·10 3 років	α (100%), SF (5.7 · 10 -6%)
242 Pu	3.75·10 5 років	α (100%), SF (5.5 · 10 -4%)
246 Cm	4.76·10 3 років	α (99,97%), SF (0.03%)
252 Cf	2.64 років	α (96,91%), SF (3.09%)
254 Cf	60.5 років	α (0,31%), SF (99.69%)
256 Cf	12.3 років	α (7.04 · 10 -8%), SF (100%)

Розподіл ядер. Історія

1934 р.− Е. Фермі, опромінюючи уран тепловими нейтронами, виявив серед продуктів реакції радіоактивні ядра, природу яких встановити не вдалося.
Л. Сціллард висунув ідею ланцюгової ядерної реакції.

1939 р.− О. Ган та Ф. Штрассман виявили серед продуктів реакцій барій.
Л. Мейтнер і О. Фріш вперше оголосили, що під дією нейтронів відбувався розподіл урану на два порівняні за масою уламки.
Н. Бор та Дж. Уілер дали кількісну інтерпретацію поділу ядра, ввівши параметр поділу.
Я. Френкель розвинув краплинну теорію розподілу ядер повільними нейтронами.
Л. Сціллард, Е. Вігнер, Е. Фермі, Дж. Вілер, Ф. Жоліо-Кюрі, Я. Зельдович, Ю. Харітон обґрунтували можливість протікання в урані ланцюгової ядерної реакції поділу.

1940 р.− Г. Флеров та К. Петржак відкрили явище спонтанного поділу ядер урану U.

1942 р.− Е. Фермі здійснив керовану ланцюгову реакцію поділу в першому атомному реакторі.

1945 р.− Перше випробування ядерної зброї (штат Невада, США). На японські міста Хіросіма (6 серпня) та Нагасакі (9 серпня) американськими військами було скинуто атомні бомби.

1946 р.− Під керівництвом І.В. Курчатова було пущено перший у Європі реактор.

1954 р.− Запущено першу у світі атомну електростанцію (м. Обнінськ, СРСР).

Розподіл ядер.З 1934 р. Е.Фермі став застосовувати нейтрони для бомбардування атомів. З того часу кількість стійких або радіоактивних ядер, отриманих шляхом штучного перетворення, зросла до багатьох сотень, і майже всі місця періодичної системи заповнилися ізотопами.
Атоми, що виникають у всіх цих ядерних реакціях, займали в періодичній системі те саме місце, що бомбардований атом, або сусідні місця. Тому справило велику сенсацію доказ Ганом та Штрассманом у 1938 р. того, що при обстрілі нейтронами останнього елемента періодичної системи−урану−відбувається розпад на елементи, які у середніх частинах періодичної системи. Тут виступають різні видирозпаду. Виникаючі атоми здебільшого нестійкі і відразу ж розпадаються далі; у деяких часів напіврозпаду вимірюється секундами, так що Ган повинен був застосувати аналітичний метод Кюрі для продовження такого швидкого процесу. Важливо, що елементи, протактиній і торій, що стоять перед ураном, також виявляють подібний розпад під дією нейтронів, хоча для того, щоб розпад почався, потрібна вища енергія нейтронів, ніж у випадку урану. Поруч із 1940 р. Р. М. Флеров і К. А. Петржак виявили спонтанне розщеплення уранового ядра з найбільшим із відомих доти періодом напіврозпаду: близько 2· 10 15 років; цей факт стає явним завдяки нейтронам, що звільняються при цьому. Так з'явилася можливість зрозуміти, чому «природна» періодична система закінчується трьома названими елементами. Тепер стали відомі трансуранові елементи, але вони настільки нестійкі, що швидко розпадаються.
Розщеплення урану за допомогою нейтронів дає тепер можливість використання атомної енергії, яке вже багатьом мерехтіло, як «мрія Жюля Верна».

М. Лауе, "Історія фізики"

1939 р. О. Ган та Ф. Штрассман, опромінюючи солі урану тепловими нейтронами, виявили серед продуктів реакції барій (Z = 56)

Отто Ганн (1879 – 1968)

Поділ ядер - розщеплення ядра на два (рідше три) ядра з близькими масами, які називають уламками поділу. При розподілі з'являються й інші частки – нейтрони, електрони, α-частинки. Через війну розподілу вивільняється енергія ~200 МеВ. Поділ то, можливо спонтанним чи змушеним під впливом інших частинок, найчастіше нейтронів.
Характерною особливістю поділу є те, що уламки поділу, як правило, суттєво різняться за масами, тобто переважає асиметричний поділ. Так, у разі найбільш ймовірного поділу ізотопу урану 236 U, відношення мас уламків дорівнює 1.46. Тяжкий уламок має при цьому масове число 139 (ксенон), а легкий – 95 (стронцій). З урахуванням випромінювання двох миттєвих нейтронів розглянута реакція поділу має вигляд

Нобелівська премія з хімії
1944 р. – О. Ган.
За відкриття реакції розподілу ядер урану нейтронами.

Уламки розподілу

Залежність середніх мас легкої і важкої груп уламків від маси ядра, що ділиться.

Відкриття поділу ядер. 1939 р.

Я приїхав до Швеції, де Лізі Мейтнер страждала від самотності, і я, як відданий племінник, вирішив відвідати її на різдво. Вона жила в маленькому готелі Кунгель біля Гетеборга. Я застав її за сніданком. Вона обмірковувала листа, щойно отриманий нею від Гана. Я був дуже скептично налаштований щодо змісту листа, в якому повідомлялося про утворення барію при опроміненні урану нейтронами. Однак її привабила така можливість. Ми гуляли снігом, вона пішки, я на лижах (вона сказала, що може пройти цей шлях, не відставши від мене, і довела це). До кінця прогулянки ми могли сформулювати деякі висновки; ядро не розколювалося, і від нього не відлітали шматки, а це був процес, що швидше нагадував краплинну модель ядра Бора; подібно до краплі ядро ​​могло подовжуватися і ділитися. Потім я дослідив, яким чином електричний заряд нуклонів зменшує поверхневий натяг, який, як мені вдалося встановити, падає до нуля за Z = 100 і, можливо, дуже мало для урану. Лізе Мейтнер займалася визначенням енергії, що виділяється при кожному розпаді через дефект маси. Вона дуже ясно уявляла собі криву дефект мас. Виявилося, що за рахунок електростатичного відштовхування елементи поділу придбали б енергію близько 200 МеВ, а саме відповідало енергії, пов'язаної з дефектом маси. Тому процес міг йти суто класично без залучення поняття проходження через потенційний бар'єр, яке, звичайно, виявилося б тут марним.
Ми провели разом два чи три дні на різдво. Потім я повернувся до Копенгагена і ледве встиг повідомити Бору про нашу ідею в той самий момент, коли він уже сідав на пароплав, що вирушає до США. Я пам'ятаю, як він ляснув себе по лобі, тільки-но почав говорити, і вигукнув: «О, які ми були дурні! Ми мали помітити це раніше». Але він не помітив і ніхто не помітив.
Ми з Лізою Мейтнер написали статтю. При цьому ми постійно підтримували зв'язок міжміського телефону Копенгаген – Стокгольм.

О. Фріш, Спогади. УФН. 1968. Т. 96, вип.4, с. 697.

Спонтанний поділ ядер

В наведених нижче дослідах ми використовували метод, вперше запропонований Фрішем для реєстрації процесів поділу ядер. Іонізаційна камера з пластинами, покритими шаром окису урану, з'єднується з лінійним підсилювачем, налаштованим таким чином, що частинки, що вилітають з урану, не реєструються системою; імпульси від осколків, набагато перевищують за величиною імпульси від α-часток, відмикають вихідний тиратрон і вважаються механічним реле.
Була спеціально сконструйована іонізаційна камера у вигляді багатошарового плоского конденсатора із загальною площею 15 пластин 1000 см. Пластини, розташовані одна від одної на відстані 3 мм, були покриті шаром окису урану 10-20 мг/см. 2 .
У перших же дослідах з налаштованим для рахунку уламків підсилювачем вдалося спостерігати мимовільні (без джерела нейтронів) імпульси на реле та осцилографі. Число цих імпульсів було невеликим (6 в 1 годину), і цілком зрозуміло тому, що це явище не могло спостерігатися з камерами звичайного типу.
Ми схильні думати, що спостережуваний нами ефект слід приписати уламкам, що виходять в результаті спонтанного поділу урану.

Спонтанний поділ слід приписати одному з збуджених ізотопів U з періодами напіврозпаду, отриманими з оцінки наших результатів:

U 238 – 10 16 ~ 10 17 років,
U 235 – 10 14 ~ 10 15 років,
U 234 – 10 12 ~ 10 13 років.

Розпад ізотопу 238 U

Спонтанний поділ ядер

Періоди напіврозпаду ізотопів, що спонтанно діляться Z = 92 - 100

Перша експериментальна система з уран-графітовими гратами була побудована в 1941 р. під керівництвом Е. Фермі. Вона була графітовим кубом з ребром довжиною 2,5 м, що містить близько 7 т окису урану, укладеного в залізні судини, які були розміщені в кубі на однакових відстанях один від одного. На дні уран-графітових ґрат було поміщено RaBe джерело нейтронів. Коефіцієнт розмноження у такій системі був 0.7. Окис урану містив від 2 до 5% домішок. Подальші зусилля були спрямовані на отримання більш чистих матеріаліві до травня 1942 р. було отримано окис урану, у якій домішка становила менше 1%. Щоб забезпечити ланцюгову реакцію поділу, необхідно було використовувати велику кількість графіту і урану – близько кількох тонн. Домішки мали становити менше кількох мільйонних часток. Реактор, зібраний до кінця 1942 р. Фермі в університеті Чикаго, мав форму зрізаного зверху неповного сфероїда. Він містив 40 т урану та 385 т графіту. Увечері 2 грудня 1942 р. після того, як було прибрано стрижні нейтронного поглинача, було виявлено, що всередині реактора відбувається ланцюгова ядерна реакція. Виміряний коефіцієнт становив 1.0006. Спочатку реактор працював лише на рівні потужності 0.5 Вт. До 12 грудня його потужність було збільшено до 200 Вт. Надалі реактор був перенесений у безпечніше місце, і потужність його була підвищена до кількох кВт. У цьому реактор споживав 0.002 р урану-235 щодня.

Перший ядерний реактор у СРСР

Будівля для першого в СРСР дослідницького ядерного реактора Ф-1 була готова до червня 1946 року.
Після того як було проведено всі необхідні експерименти, розроблено систему управління та захисту реактора, встановлено розміри реактора, проведено всі необхідні досліди з моделями реактора, визначено щільність нейтронів на кількох моделях, отримано графітові блоки (так звану ядерну чистоту) та (після нейтронно-фізичної) перевірки) уранові блочки, у листопаді 1946 р. розпочали спорудження реактора Ф-1.
Загальний радіус реактора був 3,8 м. Для нього знадобилося 400 т графіту та 45 т урану. Реактор збирали шарами і о 15 год 25 грудня 1946 р. було зібрано останній, 62-й шар. Після вилучення про аварійних стрижнів було зроблено підйом регулюючого стрижня, почався відлік щільності нейтронів, й у 18 год 25 грудня 1946 р. ожив, запрацював перший у СРСР реактор. Це була хвилююча перемога вчених - творців ядерного реактора та всього радянського народу. А через півтора роки, 10 червня 1948 р., промисловий реактор з водою в каналах досяг критичного стану і незабаром розпочалося промислове виробництво нового виду ядерного пального – плутонію.

Поділ ядра - це розщеплення важкого атома на два фрагменти приблизно рівної маси, що супроводжується виділенням великої кількостіенергії.

Відкриття ядерного поділу початок нову еру- «Атомне століття». Потенціал можливого його використання та співвідношення ризику до користі від його застосування не тільки породили безліч соціологічних, політичних, економічних та наукових досягнень, але також і серйозні проблеми. Навіть з чисто наукової точкизору процес ядерного поділу створив велике числоголоволомок та ускладнень, і повне теоретичне його пояснення є справою майбутнього.

Ділитись - вигідно

Енергії зв'язку (на нуклон) у різних ядер різняться. Більш важкі мають меншу енергію зв'язку, ніж розташовані в середині періодичної таблиці.

Це означає, що важким ядрам, у яких атомне числобільше 100, вигідно ділитися на два менші фрагменти, тим самим вивільняючи енергію, яка перетворюється на кінетичну енергіюуламків. Цей процес називається розщепленням

Відповідно до кривої стабільності, яка показує залежність числа протонів від числа нейтронів для стабільних нуклідів, більш важкі ядра віддають перевагу більшій кількості нейтронів (у порівнянні з кількістю протонів), ніж легші. Це говорить про те, що поряд із процесом розщеплення будуть випускатися деякі «запасні» нейтрони. Крім того, вони також прийматимуть на себе частину енергії, що виділяється. Вивчення розподілу ядра атома урану показало, що при цьому виділяється 3-4 нейтрони: 238 U → 145 La + 90 Br + 3n.

Атомне число (і атомна маса) уламка не дорівнює половині атомної масибатька. Різниця між масами атомів, що утворилися внаслідок розщеплення, зазвичай становить близько 50. Щоправда, причина цього ще зовсім зрозуміла.

Енергії зв'язку 238 U, 145 La і 90 Br дорівнюють 1803, 1198 та 763 МеВ відповідно. Це означає, що в результаті цієї реакції вивільняється енергія поділу ядра урану, що дорівнює 1198 + 763-1803 = 158 МеВ.

Мимовільний поділ

Процеси спонтанного розщеплення відомі у природі, але дуже рідкісні. Середній час життя цього процесу становить близько 10 17 років, а, наприклад, середній час життя альфа-розпаду того ж радіонукліду становить близько 10 11 років.

Причина цього полягає в тому, що для того, щоб розділитися на дві частини, ядро ​​має спочатку піддатися деформації (розтягтися) в еліпсоїдальну форму, а потім перед остаточним розщепленням на два фрагменти утворити «шийку» посередині.

Потенційний бар'єр

У деформованому стані на ядро ​​діють дві сили. Одна з них – збільшена поверхнева енергія (поверхневий натяг краплі рідини пояснює її сферичну форму), а інша – кулонівське відштовхування між уламками поділу. Разом вони справляють потенційний бар'єр.

Як і у випадку альфа-розпаду, щоб відбулося спонтанне поділ ядра атома урану, фрагменти повинні подолати цей бар'єр за допомогою квантового тунелювання. Величина бар'єру становить близько 6 МеВ, як і у випадку з альфа-розпадом, але ймовірність тунелювання α-частинки значно більша, ніж значно важчого продукту розщеплення атома.

Вимушене розщеплення

Набагато найімовірнішим є індуковане розподіл ядра урану. У цьому випадку материнське ядро ​​опромінюється нейтронами. Якщо батько його поглинає, вони зв'язуються, вивільняючи енергію зв'язку як коливальної енергії, що може перевищити 6 МеВ, необхідні подолання потенційного бар'єру.

Там, де енергії додаткового нейтрона недостатньо для подолання потенційного бар'єру, нейтрон, що падає, повинен мати мінімальну кінетичну енергію для того, щоб мати можливість індукувати розщеплення атома. Що стосується 238 U енергії зв'язку додаткових нейтронів бракує близько 1 МеВ. Це означає, що розподіл ядра урану індукується лише нейтроном з кінетичною енергією більше 1 МеВ. З іншого боку, ізотоп 235 має один непарний нейтрон. Коли ядро ​​поглинає додатковий, він утворює з ним пару, і в результаті цього парування з'являється додаткова енергія зв'язку. Цього достатньо для звільнення кількості енергії, необхідної для того, щоб ядро ​​подолало потенційний бар'єр і поділ ізотопу відбувався при зіткненні з будь-яким нейтроном.

Бета-розпад

Незважаючи на те, що при реакції поділу випромінюються три або чотири нейтрони, уламки, як і раніше, містять більше нейтронів, ніж їх стабільні ізобари. Це означає, що фрагменти розщеплення, як правило, нестійкі до бета-розпаду.

Наприклад, коли відбувається розподіл ядра урану 238 U, стабільним ізобаром з А = 145 є неодим 145 Nd, що означає, що фрагмент лантан 145 La розпадається в три етапи, щоразу випромінюючи електрон та антинейтрино, доки не буде утворено стабільний нуклід. Стабільним ізобаром з A = 90 є цирконій 90 Zr, тому уламок розщеплення бром 90 Br розпадається у п'ять етапів ланцюга β-розпаду.

Ці ланцюги β-розпаду виділяють додаткову енергію, яка майже вся виноситься електронами та антинейтрино.

Ядерні реакції: розподіл ядер урану

Пряме випромінювання нейтрону з нукліду з занадто великою кількістю для забезпечення стабільності ядра малоймовірно. Тут справа полягає в тому, що немає кулонівського відштовхування і тому поверхнева енергія має тенденцію до утримання нейтрону у зв'язку з батьком. Проте це іноді відбувається. Наприклад, фрагмент поділу 90 Br у першій стадії бета-розпаду виробляє криптон-90, який може бути у збудженому стані з достатньою енергією, щоб подолати поверхневу енергію. У цьому випадку випромінювання нейтронів може відбуватися безпосередньо з утворенням криптону-89. як і раніше, нестійкий по відношенню до β-розпаду, поки не перейде в стабільний ітрій-89, так що криптон-89 розпадається в три етапи.

Розподіл ядер урану: ланцюгова реакція

Нейтрони, що випускаються в реакції розщеплення, можуть бути поглинені іншим ядром-батьком, яке потім піддається індукованому поділу. У разі урану-238 три нейтрони, що виникають, виходять з енергією менше 1 МеВ (енергія, що виділяється при розподілі ядра урану - 158 МеВ - в основному переходить у кінетичну енергію уламків розщеплення), тому вони не можуть викликати подальшого розподілу цього нукліду. Тим не менш, при значній концентрації рідкісного ізотопу 235 U ці вільні нейтрони можуть бути захоплені ядрами 235 U, що дійсно може викликати розщеплення, так як в цьому випадку відсутня енергетичний поріг, нижче якого розподіл не індукується.

Такий принцип ланцюгової реакції.

Типи ядерних реакцій

Нехай k - число нейтронів, вироблене у зразку матеріалу, що ділиться на стадії n цього ланцюга, поділене на число нейтронів, утворених на стадії n - 1. Це число залежатиме від того, скільки нейтронів, отриманих на стадії n - 1, поглинаються ядром, яке може зазнати вимушеного поділу.

Якщо k< 1, то цепная реакция просто выдохнется и процесс остановится очень быстро. Именно это и происходит в природной в которой концентрация 235 U настолько мала, что вероятность поглощения одного из нейтронов этим изотопом крайне ничтожна.

Якщо k > 1, то ланцюгова реакція зростатиме до тих пір, поки весь матеріал не буде використаний Це досягається шляхом збагачення природної руди до отримання досить великої концентрації урану-235. Для сферичного зразка величина k збільшується зі зростанням ймовірності поглинання нейтронів, що залежить від радіусу сфери. Тому маса U повинна перевищувати деяку, щоб поділ ядер урану (ланцюгова реакція) міг відбуватися.

Якщо k = 1, має місце керована реакція. Це використовують у ядерних реакторах. Процес контролюється розподілом серед урану стрижнів з кадмію або бору, які поглинають більшу частину нейтронів (ці елементи мають здатність захоплювати нейтрони). Розподіл ядра урану контролюється автоматично шляхом переміщення стрижнів таким чином, щоб величина k залишалася рівною одиниці.

Поділом ядерназивається процес, при якому з одного атомного ядра утворюється 2 (іноді 3) ядра-уламка, які є близькими по масі.

Цей процес є вигідним для всіх β -Стабільних ядер з масовим числом А > 100.

Розподіл ядер уранубуло виявлено в 1939 році Ганом і Штрасманом, які однозначно довели, що при бомбардуванні нейтронами ядер урану Uутворюються радіоактивні ядра з масами та зарядами, приблизно в 2 рази меншими за масу і заряду ядра урану. У тому ж році Л. Мейтнером та О. Фрішером було введено термін « розподіл ядер» і було зазначено, що при цьому процесі виділяється величезна енергія, а Ф. Жоліо-Кюрі та Е. Фермі одночасно з'ясували, що при розподілі випромінюються кілька нейтронів (Нейтрони поділу). Це стало основою висування ідеї ланцюгової реакції поділу, що самопідтримуєтьсята використання поділу ядер як джерела енергії. Основою сучасної ядерної енергетики є розподіл ядер 235 Uі 239 Puпід впливом нейтронів.

Розподіл ядра може відбуватися завдяки тому, що маса спокою важкого ядра виявляється більшою за суму мас спокою осколків, які виникають у процесі поділу.

З графіка видно, що цей процес виявляється вигідним із енергетичної точки зору.

Механізм поділу ядра можна пояснити на основі крапельної моделі, згідно з якою згусток нуклонів нагадує крапельку зарядженої рідини. Ядро утримують від розпаду ядерні сили тяжіння, більші, ніж сили кулонівського відштовхування, які діють між протонами і прагнуть розірвати ядро.

Ядро 235 Uмає форму кулі. Після поглинання нейтрону воно збуджується і деформується, набуваючи витягнуту форму(на малюнку б), і розтягується до тих пір, поки сили відштовхування між половинками витягнутого ядра не стануть більше сил тяжіння, що діють у перешийку (на малюнку в). Після цього ядро ​​розривається на дві частини (на малюнку г). Уламки під дією кулонівських сил відштовхування розлітаються зі швидкістю, що дорівнює 1/30 швидкості світла.

Випускання нейтронів у процесі розподілу, Про який ми говорили вище, пояснюється тим, що відносне число нейтронів (по відношенню до протонів) в ядрі збільшується зі зростанням атомного номера, і для утворилися при розподілі осколків число нейтронів стає більшим, ніж це можливо для ядер атомів з меншими номерами.

Поділ найчастіше відбувається на уламки нерівної маси. Ці уламки є радіоактивними. Після серії β -Розпадів у результаті утворюються стабільні іони.

Крім вимушеного, буває і спонтанний поділ ядер урану, яке було відкрито в 1940 році радянськими фізиками Г. Н. Флеровим та К. А. Петржаком. Період напіврозпаду для спонтанного поділу відповідає 10 16 років, що в 2 млн. разів більше періоду напіврозпаду при α -Розпад урану.

Синтез ядер відбувається у термоядерних реакціях. Термоядерні реакції- Це реакції злиття легких ядер при дуже високій температурі. Енергія, яка виділяється при злитті (синтезі), буде максимальною при синтезі легких елементів, які мають найменшу енергію зв'язку. При з'єднанні двох легких ядер, наприклад, дейтерію і тритію, утворюється важче ядро ​​гелію з більшою енергією зв'язку:

При такому процесі ядерного синтезу відбувається виділення значної енергії (17,6 МеВ), що дорівнює різниці енергій зв'язку важкого ядра та двох легких ядер . Нейтрон, що утворюється при реакціях, набуває 70% цієї енергії. Порівняння енергії, яка припадає на один нуклон у реакціях ядерного поділу (0,9 МеВ) та синтезу (17,6 МеВ), показує, що реакція синтезу легких ядер енергетично є більш вигідною, ніж реакція поділу важких.

Злиття ядер відбувається під дією сил ядерного тяжіння, тому вони повинні зблизитися до відстаней, менших 10 -14 , де діють ядерні сили. Цьому зближенню перешкоджає кулонівське відштовхування позитивно заряджених ядер. Його можна подолати лише за рахунок великої кінетичної енергії ядер, які перевищують енергію їхнього кулонівського відштовхування. З відповідних розрахунків видно, що кінетичну енергію ядер, яка потрібна для реакції синтезу, можна досягти при температурах близько сотень мільйонів градусів, тому ці реакції мають назву термоядерних.

Термоядерний синтез- Реакція, в якій при високій температурі, більшій за 10 7 К, з легких ядер синтезуються важчі ядра.

Термоядерний синтез - джерело енергії всіх зірок, у тому числі і Сонця.

Основним процесом, у якому відбувається звільнення термоядерної енергії у зірках, є перетворення водню на гелій. За рахунок дефекту маси в цій реакції маса Сонця зменшується кожну секунду на 4 млн. тонн.

Велику кінетичну енергію, яка потрібна для термоядерного синтезу, ядра водню одержують у результаті сильного гравітаційного тяжіння до центру зірки. Після цього при злитті ядер гелію утворюються і важчі елементи.

Термоядерні реакції грають одну з головних ролей в еволюції хімічного складуречовини у Всесвіті. Всі ці реакції відбуваються із виділенням енергії, яка випромінюється зірками у вигляді світла протягом мільярдів років.

Здійснення керованого термоядерного синтезу надало б людству нове, практично невичерпне джерело енергії. І дейтерій, і тритій, необхідних його здійснення , цілком доступні. Перший міститься у воді морів і океанів (у кількості, достатньому для використання протягом мільйона років), другий може бути отриманий в ядерному реакторі при опроміненні рідкого літію (запаси якого є величезними) нейтронами:

Одним з найважливіших перевагкерованого термоядерного синтезу є відсутність радіоактивних відходів при його здійсненні (на відміну від реакцій поділу важких ядер урану).

Головною перешкодою шляху здійснення керованого термоядерного синтезу є неможливість утримання високотемпературної плазми з допомогою сильних магнітних полів протягом 0,1-1 . Однак існує впевненість у тому, що рано чи пізно термоядерні реактори будуть створені.

Поки що вдалося зробити тільки некеровану реакціюсинтезу вибухового типу у водневій бомбі

Як цей процес був відкритий та описаний. Розкривається його застосування як джерело енергії та ядерної зброї.

"Неподільний" атом

Двадцять перше століття рясніє такими висловлюваннями, як «енергія атома», «ядерні технології», «радіоактивні відходи». Раз у раз у газетних заголовкахмиготять повідомлення про можливість радіоактивного забруднення ґрунту, океанів, льодів Антарктики. Однак звичайна людина часто не дуже добре собі уявляє, що це за галузь науки і як вона допомагає в повсякденному житті. Почати варто, мабуть, із історії. З самого першого питання, яке задавала ситий і одягнений чоловік, його цікавило, як влаштований світ. Як бачить око, чому чує вухо, чим вода відрізняється від каменю – ось що здавна хвилювало мудреців. Ще в стародавньої Індіїі Греції деякі допитливі уми припустили, що існує мінімальна частка (її ще називали «неподільною»), що має властивості матеріалу. Середньовічні хіміки підтвердили здогад мудреців, і сучасне визначенняатома наступне: атом - це найменша частка речовини, яка є носієм його властивостей.

Частини атома

Однак розвиток технології (зокрема, фотографії) призвело до того, що атом перестав вважатися найменшою можливою частинкою речовини. І хоча окремо взятий атом електронейтральний, вчені досить швидко зрозуміли: він складається з двох частин із різними зарядами. Кількість позитивно заряджених частин компенсує кількість негативних, отже, атом залишається нейтральним. Але однозначної моделі атома немає. Оскільки у період все ще панувала класична фізика, то висловлювалися різні припущення.

Моделі атома

Спочатку було запропоновано модель «булка із ізюмом». Позитивний заряд хіба що заповнював собою весь простір атома, й у ньому, як родзинки у булці, розподілялися негативні заряди. Знаменитий визначив таке: у центрі атома розташований дуже важкий елемент із позитивним зарядом (ядро), а навколо розташовуються значно легші електрони. Маса ядра в сотні разів важча за суму всіх електронів (воно становить 99,9 відсотків від маси всього атома). Таким чином народилася планетарна модель атома Бора. Однак деякі з її елементів суперечили прийнятій на той момент класичній фізиці. Тому була розроблена нова, квантова механіка. З її появою розпочався некласичний період науки.

Атом та радіоактивність

Зі всього сказаного вище стає зрозуміло, що ядро ​​- це важка, позитивно заряджена частина атома, яка становить його основну масу. Коли і положення електронів на орбіті атома були добре вивчені, настав час зрозуміти природу атомного ядра. На допомогу прийшла геніальна та несподівано відкрита радіоактивність. Вона допомогла розкрити сутність важкої центральної частини атома, оскільки джерело радіоактивності – розподіл ядер. На рубежі дев'ятнадцятого та двадцятого сторіччя, відкриття сипалися одне за одним. Теоретичне рішення однієї задачі викликало необхідність ставити нові досліди. Результати експериментів породжували теорії та гіпотези, які потрібно підтвердити або спростувати. Найчастіше найбільші відкриттяз'являлися просто тому, що саме таким чином формула ставала зручною для обчислень (наприклад, квант Макса Планка). Ще на початку ери фотографії вчені знали: уранові солі засвічують світлочутливу плівку, але вони не підозрювали, що в основі цього явища лежить поділ ядер. Тому радіоактивність вивчали, аби зрозуміти природу розпаду ядра. Вочевидь, що випромінювання породжувалися квантовими переходами, але було остаточно ясно, якими саме. Подружжя Кюрі видобувало чисті радій та полоній, обробляючи практично вручну уранову руду, щоб отримати відповідь на це питання.

Заряд радіоактивного випромінювання

Резерфорд багато зробив вивчення будови атома і зробив внесок у дослідження, як відбувається розподіл ядра атома. Вчений помістив випромінювання, що виділяється радіоактивним елементом, магнітне поле і отримав приголомшливий результат. Виявилося, що радіація складається з трьох компонентів: одна була нейтральною, а дві інші – позитивно та негативно зарядженими. Вивчення розподілу ядра почалося з визначення його складових. Доведено, що ядро ​​може ділитися, віддавати частину свого позитивного заряду.

Будова ядра

Пізніше з'ясувалося, що атомне ядро ​​складається не тільки з позитивно заряджених протонів частинок, але і нейтральних частинок нейтронів. Всі разом вони називаються нуклонами (від англійської nucleus, ядро). Проте, вчені знову натрапили на проблему: маса ядра (тобто кількість нуклонів) не завжди відповідала його заряду. Водень ядро ​​має заряд +1, а маса може бути і три, і два, і один. У наступного його у періодичної таблиці гелію заряд ядра +2, у своїй його ядро ​​містить від 4 до 6 нуклонів. Більш складні елементи можуть мати набагато більше різних мас при одному і тому ж заряді. Такі варіації атомів називають ізотопами. Причому деякі ізотопи виявилися цілком стійкими, інші ж швидко розпадалися, тому що для них характерно було поділ ядер. Якому принципу відповідала кількість нуклонів стійкості ядер? Чому додавання лише одного нейтрону до важкого і цілком стабільного ядру призводило до його розколу, виділення радіоактивності? Як не дивно, відповідь на цей важливе питаннядосі не знайдено. Досвідченим шляхом з'ясувалося, що певною кількістю протонів та нейтронів відповідають стійкі зміни атомних ядер. Якщо в ядрі 2, 4, 8, 50 нейтронів та/або протонів, то ядро ​​однозначно буде стійким. Ці числа навіть називають магічними (і назвали їх так дорослі вчені, ядерні фізики). Таким чином, розподіл ядер залежить від їх маси, тобто від кількості нуклонів, що входять до них.

Крапля, оболонка, кристал

Визначити фактор, який відповідає за стійкість ядра, наразі не вдалося. Існує безліч теорій моделі Три найзнаменитіші та розроблені найчастіше суперечать один одному в різних питаннях. Згідно з першою, ядро ​​– це крапля спеціальної ядерної рідини. Як і для води, для нього характерні плинність, поверхневий натяг, злиття та розпад. У оболонковій моделі в ядрі теж є деякі рівні енергії, які заповнюються нуклонами. Третя стверджує, що ядро ​​- середовище, яке здатне заломлювати особливі хвилі (дебройлівські), при цьому коефіцієнт заломлення - це Проте жодна модель поки що не змогла повною мірою описати, чому за певної критичної маси саме цього хімічного елемента починається розщеплення ядра.

Яким буває розпад

Радіоактивність, як було зазначено вище, було виявлено в речовинах, які можна знайти у природі: урані, полонії, радії. Наприклад, щойно здобутий чистий уран радіоактивний. Процес розщеплення в даному випадкубуде спонтанним. Без будь-яких зовнішніх впливівпевна кількість атомів урану випустить альфа-частинки, мимоволі перетворившись на торій. Є показник, який називається періодом напіврозпаду. Він показує, який проміжок часу від початкового числа частини залишиться приблизно половина. Для кожного радіоактивного елемента період напіврозпаду свій - від часток секунди для каліфорнію до сотень тисяч років для урану та цезію. Але існує й вимушена радіоактивність. Якщо ядра атомів бомбардувати протонами чи альфа-частинками (ядрами гелію) з високою кінетичною енергією, вони можуть «розколотися». Механізм перетворення, звичайно, відрізняється від того, як розбивається улюблена мамина ваза. Проте якась аналогія простежується.

Енергія атома

Поки що ми не відповіли на питання практичного характеру: звідки при розподілі ядра береться енергія. Для початку треба пояснити, що при утворенні ядра діють спеціальні ядерні сили, які називаються сильною взаємодією. Оскільки ядро ​​складається з безлічі позитивних протонів, залишається питання, як вони тримаються разом, адже електростатичні сили мають досить сильно відштовхувати їх одна від одної. Відповідь одночасно і проста, і ні: ядро ​​тримається за рахунок дуже швидкого обміну між нуклонами особливими частинками – пі-мезонами. Цей зв'язок живе неймовірно мало. Як тільки припиняється обмін пі-мезон, ядро ​​розпадається. Також точно відомо, що маса ядра менша за суму всіх складових його нуклонів. Цей феномен отримав назву дефекту мас. Фактично недостатня маса - це енергія, яка витрачається підтримки цілісності ядра. Як тільки від ядра атома відокремлюється якась частина, ця енергія виділяється і на атомних електростанціях перетворюється на тепло. Тобто енергія розподілу ядра – це наочна демонстрація знаменитої формули Ейнштейна. Нагадаємо, формула свідчить: енергія та маса можуть перетворюватися один на одного (E=mc 2).

Теорія та практика

Тепер розповімо, як це суто теоретичне відкриття використовується у житті для отримання гігават електроенергії. По-перше, слід зазначити, що у керованих реакціях використовується вимушене розподіл ядер. Найчастіше це уран чи полоній, які бомбардуються швидкими нейтронами. По-друге, не можна не розуміти, що розподіл ядер супроводжується створенням нових нейтронів. В результаті кількість нейтронів у зоні реакції здатна наростати дуже швидко. Кожен нейтрон стикається з новими ще цілими ядрами, розщеплює їх, що призводить до зростання виділення тепла. Це і є ланцюгова реакція розподілу ядер. Неконтрольоване зростання кількості нейтронів у реакторі здатне призвести до вибуху. Саме це і сталося у 1986 році на Чорнобильської АЕС. Тому в зоні реакції завжди є речовина, яка поглинає зайві нейтрони, запобігаючи катастрофі. Це графіт у формі довгих стрижнів. Швидкість поділу ядер можна уповільнити, занурюючи стрижні в зону реакції. Рівняння складається безпосередньо для кожної діючої радіоактивної речовини і бомбардуючих її частинок (електрони, протони, альфа-частинки). Однак кінцевий вихід енергії підраховується згідно із законом збереження: Е1+Е2=Е3+Е4. Тобто повна енергія вихідного ядра і частинки (Е1+Е2) має дорівнювати енергії ядра, що вийшло, і виділилася у вільному вигляді енергії (Е3+Е4). Рівняння ядерної реакції також показує, яка речовина у результаті розпаду. Наприклад, для урану U = Th + He, U = Pb + Ne, U = Hg + Mg. Тут не наведено ізотопів хімічних елементів, проте це важливо. Наприклад, існує цілих три можливості поділу урану, при яких утворюються різні ізотопи свинцю та неону. Майже у ста відсотках випадків реакція поділу ядра дає радіоактивні ізотопи. Тобто під час розпаду урану виходить радіоактивний торій. Торій здатний розпастися до протактінія, той - до актинія, і таке інше. Радіоактивними в цьому ряду можуть бути і вісмути, і титан. Навіть водень, що містить у ядрі два протони (при нормі один протон), називається інакше – дейтерій. Вода, утворена з таким воднем, називається важкою та заповнює перший контур у ядерних реакторах.

Немирний атом

Такі висловлювання, як «гонка озброєнь», « холодна війна», «Ядерна загроза» сучасній людиніможуть здатися історичними та неактуальними. Але колись кожен випуск новин майже в усьому світі супроводжувався репортажами про те, скільки винайдено видів ядерної зброї і як треба з цим боротися. Люди будували підземні бункери та робили запаси на випадок ядерної зими. Цілі сім'ї працювали створення притулку. Навіть мирне використання реакцій поділу ядер може призвести до катастрофи. Здавалося б, Чорнобиль навчив людство акуратності у цій сфері, але стихія планети виявилася сильнішою: землетрус у Японії пошкодив надійні зміцнення АЕС «Фукусіма». Енергію ядерної реакції використовуватиме руйнування набагато легше. Технологам необхідно лише обмежити силу вибуху, щоб не зруйнувати ненароком усю планету. Найгуманніші бомби, якщо їх можна так назвати, не забруднюють околиці радіацією. У цілому нині вони використовують неконтрольовану ланцюгову реакцію. Те, чого на атомних електростанціях прагнуть усіма силами уникнути, у бомбах домагаються вельми примітивним способом. Для будь-якого природно-радіоактивного елемента існує деяка критична маса чистої речовини, в якій ланцюгова реакція зароджується сама собою. Для урану, наприклад, це лише п'ятдесят кілограмів. Так як уран дуже важкий, це лише невелика металева кулька 12-15 сантиметрів у діаметрі. Перші атомні бомби, скинуті на Хіросіму та Нагасакі, були зроблені саме за таким принципом: дві нерівні частини чистого урану просто з'єднувалися та породжували жахливий вибух. Сучасна зброя, ймовірно, складніша. Однак про критичну масу не слід забувати: між невеликими обсягами чистої радіоактивної речовини при зберіганні повинні бути перешкоди, що не дозволяють з'єднатися частинам.

Джерела радіації

Усі елементи із зарядом атомного ядра більше 82 радіоактивні. Майже дедалі легші хімічні елементимають радіоактивні ізотопи. Чим важче ядро, тим менший його час життя. Деякі елементи (типу каліфорнію) можна видобути лише штучним шляхом - зіштовхуючи важкі атоми з легшими частинками, найчастіше на прискорювачах. Так як вони дуже нестабільні, земної кориїх немає: для формування планети вони дуже швидко розпалися інші елементи. Речовини з легшими ядрами, наприклад, уран, цілком можна видобувати. Процес цей довгий, придатного до видобутку урану, навіть у дуже багатих рудах міститься менше одного відсотка. Третій шлях, мабуть, свідчить про те, що нова геологічна епоха вже розпочалася. Це видобуток радіоактивних елементів із радіоактивних відходів. Після відпрацювання палива на електростанції, на підводному човні або авіаносці, виходить суміш вихідного урану та кінцевої речовини, результату поділу. На даний момент це вважається твердими радіоактивними відходами і стоїть гостре питання, як їх зберігати так, щоб вони не забруднили довкілля. Однак є ймовірність, що в недалекому майбутньому вже готові концентровані радіоактивні речовини (наприклад, полоній) видобуватимуть з цих відходів.

Поділ ядер урану було відкрито 1938 р. німецькими вченими О. Ганом та Ф. Штрассманом. Їм вдалося встановити, що з бомбардуванні ядер урану нейтронами утворюються елементи середньої частини періодичної системи: барій, криптон та інших. Правильне тлумаченняцьому 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 в 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

Ланцюгова реакція

Ланцюгова 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. Найважливіше властивість плутонію у тому, що він ділиться під впливом нейтронів як і, 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 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 та кількості речовини, що ділиться, від геометричної формизайманого 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 довкіллядо 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.

Мал. 5. Атомна бомба