Поділ ядра урану. Ланцюгова реакція. Опис процесу
Поділ ядра - це розщеплення важкого атома на два фрагмента приблизно рівної маси, що супроводжується виділенням великої кількості енергії.
Відкриття ядерного ділення початок нової ери - «атомне століття». Потенціал можливого його використання і співвідношення ризику до користь від його застосування не тільки породили безліч соціологічних, політичних, економічних і наукових досягнень, але також і серйозні проблеми. Навіть з чисто наукової точки зору процес ядерного ділення створив велику кількість головоломок і ускладнень, і повне теоретичне його пояснення є справою майбутнього.
Ділитися - вигідно
Енергії зв`язку (на нуклон) у різних ядер розрізняються. Більш важкі володіють меншою енергією зв`язку, ніж розташовані в середині періодичної таблиці.
Це означає, що важким ядер, у яких атомне число більше 100, вигідно ділитися на два менших фрагмента, тим самим вивільняючи енергію, яка перетворюється в кінетичну енергію уламків. Цей процес називається розщепленням атомного ядра.
Відповідно до кривої стабільності, яка показує залежність числа протонів від числа нейтронів для стабільних нуклідів, важчі ядра воліють більше число нейтронів (в порівнянні з кількістю протонів), ніж більш легкі. Це говорить про те, що поряд з процесом розщеплення будуть випускатися деякі «запасні» нейтрони. Крім того, вони будуть також приймати на себе частину енергії, що виділяється. Вивчення розподілу ядра атома урану показало, що при цьому виділяється 3-4 нейтрона: 238U 145La + 90Br + 3n.
Атомне число (і атомна маса) осколка не дорівнює половині атомної маси батька. Різниця між масами атомів, що утворилися в результаті розщеплення, зазвичай становить близько 50. Правда, причина цього ще не зовсім зрозуміла.
енергії зв`язку 238U, 145La і 90Br рівні 1803, тисячі сто дев`яносто вісім і 763 МеВ відповідно. Це означає, що в результаті цієї реакції вивільняється енергія ділення ядра урану, що дорівнює 1198 + 763-1803 = 158 МеВ.
мимовільне розподіл
Процеси спонтанного розщеплення відомі в природі, але вони дуже рідкісні. Середній час життя зазначеного процесу становить близько 1017 років, а, наприклад, середній час життя альфа-розпаду того ж радіонукліда становить близько 1011 років.
Причина цього полягає в тому, що для того, щоб розділитися на дві частини, ядро має спочатку піддатися деформації (розтягнутися) в еліпсоїдальної форму, а потім, перед остаточним розщепленням на два фрагмента, утворити «шийку» посередині.
потенційний бар`єр
В деформованому стані на ядро діють дві сили. Одна з них - зросла поверхнева енергія (поверхневий натяг краплі рідини пояснює її сферичну форму), а інша - кулоновское відштовхування між осколками поділу. Разом вони виробляють потенційний бар`єр.
Як і в разі альфа-розпаду, щоб відбулося спонтанне ділення ядра атома урану, фрагменти повинні подолати цей бар`єр за допомогою квантового тунелювання. Величина бар`єра складає близько 6 МеВ, як і у випадку з альфа-розпадом, але ймовірність тунелювання &alpha - частинки значно більше, ніж набагато більш важкого продукту розщеплення атома.
вимушене розщеплення
Набагато більш вірогідним є індуковане поділ ядра урану. В цьому випадку материнське ядро опромінюється нейтронами. Якщо батько його поглинає, то вони зв`язуються, вивільняючи енергію зв`язку у вигляді коливальної енергії, яка може перевищити 6 МеВ, необхідних для подолання потенційного бар`єру.
Там, де енергії додаткового нейтрона недостатньо для подолання потенційного бар`єру, що падає нейтрон повинен мати мінімальну кінетичну енергію для того, щоб мати можливість індукувати розщеплення атома. В разі 238U енергії зв`язку додаткових нейтронів не вистачає близько 1 МеВ. Це означає, що розподіл ядра урану індукується тільки нейтроном з кінетичної енергією більше 1 МеВ. З іншого боку, ізотоп 235U має один непарний нейтрон. Коли ядро поглинає додатковий, він утворює з ним пару, і в результаті цього спарювання з`являється додаткова енергія зв`язку. Цього достатньо для звільнення кількості енергії, необхідної для того, щоб ядро подолало потенційний бар`єр і розподіл ізотопу відбувалося при зіткненні з будь-яким нейтроном.
Відео: ВІДКРИТТЯ РОЗПОДІЛУ ядер УРАНА !!
Бета-розпад
Незважаючи на те що при реакції поділу випускаються три або чотири нейтрона, оскільки як і раніше містять більше нейтронів, ніж їх стабільні ізобари. Це означає, що фрагменти розщеплення, як правило, нестійкі по відношенню до бета-розпаду.
Наприклад, коли відбувається поділ ядра урану 238U, стабільним ізобарах з А = 145 є неодим 145Nd, що означає, що фрагмент лантан 145La розпадається в три етапи, кожен раз випромінюючи електрон і антинейтрино, поки не буде утворено стабільний нуклід. Стабільним ізобарах з A = 90 є цирконій 90Zr, тому осколок розщеплення бром 90Br розпадається в п`ять етапів ланцюга &beta - розпаду.
ці ланцюги &beta - розпаду виділяють додаткову енергію, яка майже вся несеться електронами і антинейтрино.
Ядерні реакції: ділення ядер урану
Пряме випромінювання нейтрона з нуклида із занадто великою їх кількістю для забезпечення стабільності ядра малоймовірно. Тут справа полягає в тому, що немає кулонівського відштовхування, і тому поверхнева енергія має тенденцію до утримання нейтрона в зв`язку з батьком. Проте це іноді відбувається. Наприклад, фрагмент ділення 90Br в першій стадії бета-розпаду виробляє криптон-90, який може бути перебувати в збудженому стані з достатньою енергією, щоб подолати поверхневу енергію. В цьому випадку випромінювання нейтронів може відбуватися безпосередньо з утворенням криптону-89. цей изобар як і раніше нестійкий по відношенню до &beta - 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 сам піддається индуцированному поділу. У разі урану-238 три нейтрона, які виникають, виходять з енергією менше 1 МеВ (енергія, що виділяється при поділі ядра урану - 158 МеВ - в основному переходить в кінетичну енергію уламків розщеплення), тому вони не можуть викликати подальший розподіл цього нукліда. Проте при значній концентрації рідкого ізотопу 235U ці вільні нейтрони можуть бути захоплені ядрами 235U, що дійсно може викликати розщеплення, так як в цьому випадку відсутній енергетичний поріг, нижче якого поділ не індукується.
Такий принцип ланцюгової реакції.
Типи ядерних реакцій
Нехай k - число нейтронів, зроблене в зразку, що поділяється, на стадії n цьому ланцюзі, поділене на кількість нейтронів, утворених на стадії n - 1. Це число буде залежати від того, скільки нейтронів, отриманих на стадії n - 1, поглинаються ядром, яке може піддатися вимушеного поділу.
Відео: 52 Ядерні реакції Поділ ядер урану
• якщо k lt; 1, то ланцюгова реакція просто видихається і процес зупиниться дуже швидко. Саме це і відбувається в природній урановій руді, в якій концентрація 235U настільки мала, що ймовірність поглинання одного з нейтронів цим ізотопом вкрай незначна.
• якщо k gt; 1, то ланцюгова реакція буде рости до тих пір, поки весь ділиться матеріал не буде використаний (атомна бомба). Це досягається шляхом збагачення природного руди до отримання досить великій концентрації урану-235. Для сферичного зразка величина k збільшується зі зростанням ймовірності поглинання нейтронів, яка залежить від радіуса сфери. Тому маса U повинна перевищувати деяку критичну масу, щоб ділення ядер урану (ланцюгова реакція) могло відбуватися.
• Якщо k = 1, то має місце керована реакція. Це використовується в ядерних реакторах. Процес контролюється розподілом серед урану стрижнів з кадмію або бору, які поглинають більшу частину нейтронів (ці елементи мають здатність захоплювати нейтрони). Поділ ядра урану контролюється автоматично шляхом переміщення стрижнів таким чином, щоб величина k залишалася рівною одиниці.
