Деление и сливане на ядра. Произходът на енергията на делене на тежки ядра Какво определя деленето на урановия атом

Енергията E, освободена по време на делене, се увеличава с увеличаване на Z 2 / A. Z 2 / A = 17 за 89 Y (итрий). Тези. деленето е енергийно благоприятно за всички ядра, по-тежки от итрия. Защо по-голямата част от ядрата е устойчива на спонтанно делене? За да се отговори на този въпрос, е необходимо да се разгледа механизмът на делене.

В процеса на делене формата на ядрото се променя. Ядрото последователно преминава през следните етапи (фиг. 7.1): топка, елипсоид, дъмбел, два крушовидни фрагмента, два сферични фрагмента. Как се променя потенциалната енергия на ядрото на различни етапи на делене?
Първоначално ядро ​​с увеличение rприема формата на все по-удължен елипсоид на въртене. В този случай, поради еволюцията на формата на ядрото, промяната в неговата потенциална енергия се определя от промяната в сумата на повърхностната и кулоновата енергия E n + E k. Повърхностната енергия в този случай нараства, т.к. повърхността на ядрото се увеличава. Кулоновата енергия намалява с увеличаване на средното разстояние между протоните. Ако при незначителна деформация, характеризираща се с малък параметър, първоначалното ядро ​​приеме формата на аксиално симетричен елипсоид, повърхностната енергия E "n и кулоновата енергия E" като функция на параметъра на деформация се променят, както следва:

В отношенията (7.4–7.5) Е n и Е k - повърхностна и кулонова енергия на изходното сферично симетрично ядро.
В областта на тежките ядра 2E n> E k и сумата от повърхностната и кулоновата енергия нараства с нарастване. От (7.4) и (7.5) следва, че при малки деформации увеличаването на повърхностната енергия предотвратява по-нататъшна промяна във формата на ядрото и следователно деленето.
Съотношението (7.5) е валидно за малки деформации. Ако деформацията е толкова голяма, че ядрото придобива формата на дъмбел, тогава повърхностните и кулоновите сили са склонни да отделят ядрото и да придадат на фрагментите сферична форма. По този начин, с постепенно увеличаване на деформацията на ядрото, неговата потенциална енергия преминава през максимум. Графиката на промените в повърхностната и кулоновата енергия на ядрото като функция на r е показана на фиг. 7.2.

Наличието на потенциална бариера предотвратява моментално спонтанно ядрено делене. За да се раздели ядрото, трябва да му се придаде енергия Q, надвишаваща височината на бариерата на делене H. Максималната потенциална енергия на делящо се ядро ​​E + H (например злато) на два еднакви фрагмента е ≈ 173 MeV, и стойността на енергията E, освободена по време на делене, е 132 MeV ... По този начин при делене на златно ядро ​​е необходимо да се преодолее потенциална бариера с височина около 40 MeV.
Височината на бариера на делене H е толкова по-голяма, колкото по-ниско е съотношението на кулоновата и повърхностната енергия E към / E n в първоначалното ядро. Това съотношение от своя страна се увеличава с увеличаване на параметъра на делене Z 2 / A (7.3). Колкото по-тежко е ядрото, толкова по-ниска е височината на бариерата на делене H, тъй като параметърът на делене, ако приемем, че Z е пропорционален на A, се увеличава с увеличаване на масовото число:

Следователно, по-тежките ядра, като правило, трябва да получат по-малко енергия, за да предизвикат ядрено делене.
Височината на бариерата на деленето изчезва при 2E n - E k = 0 (7.5). В такъв случай

2E p / E k = 2 (a 2 A) / (a ​​3 Z 2),

Z 2 / A = 2a 2 / (a ​​3 Z 2) ≈ 49.

Така, според капчичния модел, ядра със Z 2 / A> 49 не могат да съществуват в природата, тъй като те трябва спонтанно да се разделят на два фрагмента за характерно ядрено време от порядъка на 10 –22 s почти мигновено. Зависимостите на формата и височината на потенциалната бариера H, както и енергията на делене от стойността на параметъра Z 2 / A са показани на фиг. 7.3.

Ориз. 7.3. Радиална зависимост на формата и височината на потенциалната бариера и енергията на делене E за различни стойности на параметъра Z 2 / A. Стойността на E p + E k се нанася върху вертикалната ос.

Спонтанно делене на ядра със Z 2 / A< 49, для которых высота барьера H не равна нулю, с точки зрения классической физики невозможно. Однако в квантовой механике такое деление возможно за счет туннельного эффекта – прохождения осколков деления через потенциальный барьер. Оно носит название спонтанного деления. Вероятность спонтанного деления растет с увеличением параметра деления Z 2 /A, т. е. с уменьшением высоты барьера деления. В целом период спонтанного деления уменьшается при переходе от менее тяжелых ядер к более тяжелым от T 1/2 >10 21 години за 232 Th до 0,3 s за 260 Rf.
Принудително делене на ядра със Z 2 / A< 49 может быть вызвано их возбуждением фотонами, нейтронами, протонами, дейтронами, a частицами и другими частицами, если вносимая в ядро энергия достаточна для преодоления барьера деления.
Минималната стойност на енергията на възбуждане на съставно ядро ​​E *, образувана по време на улавянето на неутрон, е равна на енергията на свързване на неутрон в това ядро ​​ε n. Таблица 7.1 сравнява височината на бариерата H и енергията на свързване на неутроните ε n за изотопите Th, U, Pu, образувани след улавяне на неутрони. Енергията на свързване на неутрона зависи от броя на неутроните в ядрото. Поради енергията на сдвояване, енергията на свързване на четен неутрон е по-голяма от енергията на свързване на нечетен неутрон.

Таблица 7.1

Височина на бариера на делене H, енергия на свързване на неутрони ε n

Характерна особеност на деленето е, че фрагментите обикновено имат различна маса. В случай на най-вероятното делене на 235 U, съотношението на масите на фрагмента е средно ~ 1,5. Масовото разпределение на фрагментите от делене на 235 U от топлинни неутрони е показано на фиг. 7.4. За най-вероятното делене тежък фрагмент има масово число 139, лек - 95. Сред продуктите на делене има фрагменти с A = 72 - 161 и Z = 30 - 65. Вероятността за делене на два фрагмента от еднаква маса не е нула. При деленето на 235 U от топлинни неутрони, вероятността за симетрично делене е приблизително три порядъка по-малка, отколкото в случая на най-вероятното делене на фрагменти с A = 139 и 95.
Асиметричното делене се обяснява със структурата на черупката на ядрото. Ядрото има тенденция да се раздели по такъв начин, че основната част от нуклоните на всеки фрагмент образува най-стабилния магически скелет.
Съотношението на броя на неутроните към броя на протоните в ядрото 235 е U N / Z = 1,55, докато за стабилни изотопи с масово число, близко до масовия брой на фрагментите, това съотношение е 1,25 - 1,45. Следователно, фрагментите на делене се оказват силно претоварени с неутрони и трябва да бъдат
β - радиоактивен. Следователно, фрагментите на делене претърпяват последователни β - разпадания, а зарядът на първичния фрагмент може да варира с 4 - 6 единици. По-долу е показана типична верига от радиоактивни разпадания на 97 Kr, един от фрагментите, образувани по време на деленето на 235 U:

Възбуждането на фрагменти, причинено от нарушаването на съотношението на броя на протоните и неутроните, характерно за стабилните ядра, също се отстранява поради излъчването на бързи неутрони на делене. Тези неутрони се излъчват от движещи се фрагменти за време по-малко от ~ 10 -14 s. При всеки акт на делене се излъчват средно 2-3 бързи неутрона. Техният енергиен спектър е непрекъснат с максимум около 1 MeV. Средната енергия на бързи неутрони е близо до 2 MeV. Излъчването на повече от един неутрон при всяко събитие на делене прави възможно получаването на енергия чрез верижна реакция на ядрено делене.
При най-вероятното делене на 235 U от термични неутрони, лек фрагмент (A = 95) придобива кинетична енергия ≈ 100 MeV, а тежък (A = 139) - около 67 MeV. Така общата кинетична енергия на фрагментите е ≈ 167 MeV. Общата енергия на делене в този случай е 200 MeV. Така останалата енергия (33 MeV) се разпределя между други продукти на делене (неутрони, електрони и антинеутрино на β - -разпад на фрагменти, γ-лъчение на фрагменти и продукти от техния разпад). Разпределението на енергията на делене между различни продукти по време на делене на 235 U от топлинни неутрони е дадено в Таблица 7.2.

Таблица 7.2

Разпределение на енергията на делене 235 U термични неутрони

Продуктите на делене (ЯЕЦ) са сложна смес от повече от 200 радиоактивни изотопа от 36 елемента (от цинк до гадолиний). По-голямата част от активността се състои от краткоживеещи радионуклиди. Така 7, 49 и 343 дни след експлозията активността на АЕЦ намалява съответно 10, 100 и 1000 пъти в сравнение с активността един час след експлозията. Добивът на най-биологично значимите радионуклиди е показан в Таблица 7.3. Освен АЕЦ, радиоактивното замърсяване се причинява от радионуклиди с индуцирана активност (3 H, 14 C, 28 Al, 24 Na, 56 Mn, 59 Fe, 60 Co и др.) и неразделена част от уран и плутоний. Ролята на индуцираната активност при термоядрени експлозии е особено голяма.

Таблица 7.3

Отделянето на някои продукти на делене при ядрена експлозия

По време на ядрени експлозии в атмосферата значителна част от валежите (при наземни експлозии до 50%) падат близо до зоната за изпитване. Част от радиоактивните вещества се задържат в долната част на атмосферата и под въздействието на вятъра се движат на големи разстояния, оставайки приблизително на същата географска ширина. Престоявайки във въздуха около месец, радиоактивните вещества по време на това движение постепенно падат към Земята. Повечето от радионуклидите се излъчват в стратосферата (на височина 10-15 km), където се разпръскват в световен мащаб и до голяма степен се разлагат.
Различни структурни елементи на ядрените реактори са силно активни от десетилетия (Таблица 7.4)

Таблица 7.4

Стойности на специфична активност (Bq/t уран) на основните продукти на делене в горивните елементи, отстранени от реактора след три години работа

Ядреното делене е разделяне на тежък атом на два фрагмента с приблизително еднаква маса, придружено от освобождаване на голямо количество енергия.

Откриването на ядреното делене постави началото на нова ера - "атомната ера". Потенциалът за възможното му използване и съотношението на риска към ползата от използването му не само генерират много социологически, политически, икономически и научен напредък, но и сериозни проблеми. Дори от чисто научна гледна точка, процесът на ядрено делене създаде много пъзели и усложнения, а пълното му теоретично обяснение е въпрос на бъдещето.

Споделянето е изгодно

Енергиите на свързване (на нуклон) за различните ядра се различават. По-тежките имат по-малко енергия на свързване от тези, разположени в средата на периодичната таблица.

Това означава, че е полезно тежките ядра с атомен номер по-голям от 100 да се разделят на два по-малки фрагмента, като по този начин се освобождава енергия, която се превръща в кинетична енергия на фрагментите. Този процес се нарича разделяне

Според кривата на стабилност, която показва зависимостта на броя на протоните от броя на неутроните за стабилни нуклиди, по-тежките ядра предпочитат повече неутрони (в сравнение с броя на протоните) от по-леките. Това предполага, че заедно с процеса на делене ще бъдат излъчени и някои "резервни" неутрони. Освен това те ще поемат и част от освободената енергия. Изследването на деленето на урановия атом показа, че се отделят 3-4 неутрона: 238 U → 145 La + 90 Br + 3n.

Атомният номер на фрагмента (и атомната маса) не е половината от атомната маса на родителя. Разликата между масите на атомите, образувани в резултат на разделяне, обикновено е около 50. Вярно е, че причината за това все още не е напълно разбрана.

Енергиите на свързване на 238 U, 145 La и 90 Br са съответно 1803, 1198 и 763 MeV. Това означава, че в резултат на тази реакция се освобождава енергията на делене на урановото ядро, равна на 1198 + 763-1803 = 158 MeV.

Спонтанно разделяне

В природата са известни спонтанни процеси на разцепване, но те са много редки. Средният живот на този процес е около 10 17 години, а например средният живот на алфа разпада на същия радионуклид е около 10 11 години.

Причината за това е, че за да се раздели на две части, ядрото трябва първо да се деформира (разтегне) до елипсоидна форма и след това, преди окончателно да се раздели на два фрагмента, да образува „врат“ в средата.

Потенциална бариера

В деформирано състояние върху ядрото действат две сили. Едната от тях е повишената повърхностна енергия (повърхностното напрежение на течната капчица обяснява нейната сферична форма), а другата е кулоновото отблъскване между фрагментите на делене. Заедно те създават потенциална бариера.

Както в случая на алфа разпада, за да се случи спонтанно делене на урановия атом, фрагментите трябва да преодолеят тази бариера, използвайки квантово тунелиране. Размерът на бариерата е около 6 MeV, както в случая на алфа разпад, но вероятността за тунелиране на алфа частица е много по-голяма от много по-тежкия продукт на разделяне на атома.

Принудително разделяне

Индуцираното делене на урановото ядро ​​е много по-вероятно. В този случай майчиното ядро ​​се облъчва с неутрони. Ако родителят го абсорбира, тогава те се свързват, освобождавайки енергията на свързване под формата на вибрационна енергия, която може да надхвърли 6 MeV, необходими за преодоляване на потенциалната бариера.

Когато енергията на допълнителния неутрон е недостатъчна за преодоляване на потенциалната бариера, падащият неутрон трябва да има минимална кинетична енергия, за да може да предизвика разцепване на атома. В случай на 238 U енергията на свързване на допълнителни неутрони е с около 1 MeV. Това означава, че деленето на ураново ядро ​​се индуцира само от неутрон с кинетична енергия над 1 MeV. От друга страна, изотопът 235 U има един несдвоен неутрон. Когато ядрото абсорбира допълнително, то образува двойка с него и в резултат на това сдвояване се появява допълнителна енергия на свързване. Това е достатъчно, за да освободи количеството енергия, необходимо на ядрото да преодолее потенциалната бариера и деленето на изотопа се случва при сблъсък с който и да е неутрон.

Бета разпад

Въпреки че реакцията на делене излъчва три или четири неутрона, фрагментите все още съдържат повече неутрони, отколкото техните стабилни изобари. Това означава, че фрагментите на разцепване обикновено са нестабилни по отношение на бета разпада.

Например, когато настъпи делене на ядрото на уран 238 U, стабилната изобара с А = 145 е неодим 145 Nd, което означава, че фрагментът от лантан 145 La се разпада на три етапа, като всеки път излъчва електрон и антинеутрино, докато се стабилизира образува се нуклид. Цирконий 90 Zr е стабилна изобара с A = 90; следователно фрагмент от разцепването на бром 90 Br се разлага на пет етапа от веригата на β-разпад.

Тези вериги на β-разпад освобождават допълнителна енергия, която почти цялата се отвежда от електрони и антинеутрино.

Ядрени реакции: делене на уранови ядра

Директното излъчване на неутрон от нуклид с твърде много от тях, за да се гарантира стабилността на ядрото, е малко вероятно. Въпросът тук е, че няма кулоново отблъскване и следователно повърхностната енергия има тенденция да задържа неутрона във връзка с родителя. Въпреки това понякога това се случва. Например, 90 Br фрагмент на делене в първия етап на бета разпад произвежда криптон-90, който може да бъде захранван с достатъчно енергия за преодоляване на повърхностната енергия. В този случай излъчването на неутрони може да се случи директно с образуването на криптон-89. е все още нестабилен по отношение на β-разпад, докато се превърне в стабилен итрий-89, така че криптон-89 се разпада на три етапа.

Деление на уранови ядра: верижна реакция

Неутроните, излъчени в реакцията на делене, могат да бъдат абсорбирани от друго родителско ядро, което след това претърпява само индуцирано делене. В случая на уран-238 трите неутрона, които възникват, излизат с енергия по-малка от 1 MeV (енергията, освободена по време на деленето на ураново ядро ​​- 158 MeV - се превръща главно в кинетичната енергия на фрагментите на делене), така че те не могат да причинят по-нататъшно делене на този нуклид. Въпреки това, при значителна концентрация на редкия изотоп 235 U, тези свободни неутрони могат да бъдат уловени от 235 U ядра, което наистина може да причини разцепване, тъй като в този случай няма енергиен праг, под който да не се индуцира делене.

Това е принципът на верижната реакция.

Видове ядрени реакции

Нека k е броят на неутроните, произведени в проба от делящ се материал на етап n от тази верига, разделен на броя на неутроните, произведени на етап n - 1. Това число ще зависи от това колко неутрони, произведени на етап n - 1, се абсорбират от ядрото, което може да претърпи принудително делене.

Ако 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.

Ако k> 1, тогава верижната реакция ще нараства, докато се използва целият делящ се материал.Това се постига чрез обогатяване на естествената руда за получаване на достатъчно висока концентрация на уран-235. За сферична проба стойността на k се увеличава с увеличаване на вероятността за поглъщане на неутрони, което зависи от радиуса на сферата. Следователно масата на U трябва да надвишава определена, за да може да се случи деленето на урановите ядра (верижна реакция).

Ако k = 1, тогава протича контролирана реакция. Това се използва в Процесът се контролира от разпределението на кадмиеви или борни пръчки между урана, които поглъщат повечето от неутроните (тези елементи имат способността да улавят неутрони). Деленето на урановото ядро ​​се контролира автоматично чрез преместване на пръчките, така че стойността на k да остане равна на единица.

Настъпва делене на уранови ядра по следния начин:първо, неутрон удря ядрото, като куршум, удрящ ябълка. В случай на ябълка, куршум щеше да пробие дупка в нея или да я разнесе. Когато неутрон удари ядрото, той се улавя от ядрени сили. Известно е, че неутронът е неутрален, така че не се отблъсква от електростатични сили.

Как се случва деленето на уран

И така, след като влезе в състава на ядрото, неутронът нарушава равновесието и ядрото се възбужда. Разтяга се встрани като дъмбел или знак за "безкрайност": ∞ ... Ядрените сили, както знаете, действат на разстояние, съизмеримо с размера на частиците. Когато ядрото се разтегне, тогава действието на ядрените сили става незначително за екстремните частици на "дъмбела", докато електрическите сили действат много мощно на такова разстояние и ядрото просто се разкъсва на две части. В този случай все още се излъчват два или три неутрона.

Фрагменти от ядрото и освободените неутрони се разпръскват с голяма скорост в различни посоки. Фрагментите бързо се забавят от околната среда, но кинетичната им енергия е огромна. Преобразува се във вътрешната енергия на околната среда, която се нагрява. В същото време количеството освободена енергия е огромно. Енергията, получена от пълното делене на един грам уран, е приблизително равна на енергията, получена от изгарянето на 2,5 тона нефт.

Верижна реакция на делене на няколко ядра

Разгледахме деленето на едно ураново ядро. Разделянето освобождава няколко (най-често два или три) неутрона. Те се разлитат с голяма скорост и лесно могат да попаднат в ядрата на други атоми, предизвиквайки реакция на делене в тях. Това е верижна реакция.

Тоест получените в резултат на ядрено делене неутрони възбуждат и принуждават към делене други ядра, които от своя страна сами излъчват неутрони, които продължават да стимулират по-нататъшното делене. И така, докато не настъпи деленето на всички уранови ядра в непосредствена близост.

В този случай може да възникне верижна реакция лавина, например, в случай на експлозия на атомна бомба. Броят на ядрените деления нараства експоненциално за кратък период от време. Въпреки това може да възникне верижна реакция и с избледняване.

Факт е, че не всички неутрони срещат по пътя си ядра, които предизвикват делене. Както си спомняме, вътре в веществото основният обем е зает от празнотата между частиците. Следователно някои неутрони летят през цялата материя, без да се сблъскват с нищо по пътя. И ако броят на ядреното делене намалява с времето, тогава реакцията постепенно замира.

Ядрени реакции и критичната маса на урана

Какво определя вида на реакцията?От масата на урана. Колкото по-голяма е масата, толкова повече частици ще срещне летящият неутрон по пътя си и шансовете да попаднат в ядрото са по-големи. Следователно се разграничава "критичната маса" на урана - това е минималната маса, при която е възможна верижна реакция.

Броят на произведените неутрони ще бъде равен на броя на неутроните, излизащи навън. И реакцията ще протече с приблизително същата скорост, докато целият обем на веществото се изчерпи. Това се използва на практика в атомните електроцентрали и се нарича контролирана ядрена реакция.

Освобождаването на енергия по време на ядрено делене.Както при други ядрени реакции, енергията, освободена по време на деленето, е еквивалентна на разликата в масите на взаимодействащите частици и крайните продукти. Тъй като енергията на свързване на нуклон в уран е енергията на свързване на един нуклон на фрагменти по време на деленето на урана, енергията трябва да се освободи

Така по време на деленето на ядрото се отделя огромно количество енергия, по-голямата част от нея се освобождава под формата на кинетична енергия на фрагменти на делене.

Масово разпространение на продукти на делене.В повечето случаи урановото ядро ​​се разделя асиметрично. Двата ядрени фрагмента имат съответно различни скорости и различни маси.

Фрагментите попадат в две групи по отношение на масите; един близо до криптон с другият близо до ксенон Масите на фрагментите се отнасят един към друг средно като.

Кривата на добив на продукт на делене е симетрична по отношение на вертикалната права линия, минаваща през точката. Значителната ширина на максимумите показва разнообразие от пътища на делене.

Ориз. 82. Разпределение на продуктите на делене на уран по маси

Изброените по-горе характеристики се отнасят главно до делене от термични неутрони; в случай на делене под действието на неутрони с енергия малко или повече, ядрото се разпада на два фрагмента с по-симетрични маси.

Свойства на продукта на делене.Когато уранов атом се раздели, много електрони от обвивката се отделят, а фрагментите на делене са приблизително многократно йонизирани положителни йони, които, преминавайки през веществото, силно йонизират атомите. Следователно пътищата на фрагментите във въздуха са малки и близки до 2 cm.

Лесно е да се установи, че фрагментите, образувани по време на делене, трябва да са радиоактивни, склонни да излъчват неутрони. Всъщност в стабилните ядра съотношението на броя на неутроните и протоните се променя в зависимост от A, както следва:

(виж сканиране)

Ядрата на делене лежат в средата на масата и следователно съдържат повече неутрони, отколкото е приемливо за тяхната стабилност. Те могат да бъдат освободени от излишните неутрони както чрез разпад, така и чрез директно излъчване на неутрони.

Забавени неутрони.При един от възможните варианти на делене се образува радиоактивен бром. На фиг. 83 е показана схема на неговия разпад, в края на който има стабилни изотопи

Интересна особеност на тази верига: криптонът може да бъде освободен от допълнителен неутрон или поради -разпад, или ако се е образувал във възбудено състояние поради директното излъчване на неутрон. Тези неутрони се появяват 56 секунди след деленето (времето на живота спрямо прехода към възбудено състояние, въпреки че самият той излъчва неутрони почти мигновено.

Ориз. 83. Схема на разпадането на радиоактивния бром, образуван във възбудено състояние при деленето на уран

Те се наричат ​​забавени неутрони. С течение на времето интензитетът на забавените неутрони намалява експоненциално, както при обикновения радиоактивен разпад.

Енергията на тези неутрони е равна на енергията на възбуждане на ядрото. Въпреки че представляват само 0,75% от всички неутрони, излъчени по време на делене, забавените неутрони играят важна роля във верижната реакция.

Мигновени неутрони.Над 99% от неутроните се отделят за изключително кратко време; те се наричат ​​бързи неутрони.

При изследване на процеса на делене възниква фундаменталният въпрос колко неутрона се произвеждат при един акт на делене; този въпрос е важен, защото ако броят им е средно голям, те могат да се използват за делене на последващи ядра, т.е. възниква възможността за създаване на верижна реакция. Над разрешаването на този въпрос през 1939-1940г. работи в почти всички най-големи ядрени лаборатории в света.

Чрез делене на ядрасе нарича процес, при който от едно атомно ядро ​​се образуват 2 (понякога 3) фрагментни ядра, които са близки по маса.

Този процес е полезен за всички. β -стабилни ядра с масово число A>100.

Деление на уранови ядрае разкрит през 1939 г. от Хан и Щрасман, които недвусмислено доказват, че когато урановите ядра са бомбардирани с неутрони Урадиоактивните ядра се образуват с маси и заряди, които са приблизително половината от масата и заряда на урановото ядро. През същата година Л. Майтнер и О. Фришер въвеждат термина „ ядрено делене„И беше отбелязано, че при този процес се отделя огромна енергия и Ф. Жолио-Кюри и Е. Ферми едновременно откриха, че деленето излъчва няколко неутрона (неутрони на делене)... Това стана основа за развитието на идеята. самоподдържаща се верижна реакция на деленеи използването на ядреното делене като източник на енергия. Ядреното делене е основата на съвременната ядрена енергия 235 Уи 239 Puпод действието на неутрони.

Деленето на ядрото може да се случи поради факта, че масата на покой на тежко ядро ​​се оказва по-голяма от сумата на масите на покой на фрагментите, които възникват в процеса на делене.

Графиката показва, че този процес се оказва полезен от енергийна гледна точка.

Механизмът на ядреното делене може да се обясни на базата на капков модел, според който куп нуклони наподобява капчица от заредена течност. Ядрото се пази от разпад от ядрени сили на привличане, които са по-големи от силите на кулоновото отблъскване, които действат между протоните и са склонни да разкъсат ядрото.

Ядро 235 Уима формата на топка. След поглъщане на неутрон, той се възбужда и деформира, придобивайки удължена форма (на фигурата б) и се разтяга, докато силите на отблъскване между половините на удълженото ядро ​​станат по-големи от силите на привличане, действащи в провлака (на фигурата v). След това ядрото се разкъсва на две части (на фигурата г). Фрагменти под въздействието на кулонови отблъскващи сили се разпръскват със скорост, равна на 1/30 от скоростта на светлината.

Емисия на неутрони по време на делене, за който говорихме по-горе, се обяснява с факта, че относителният брой на неутроните (по отношение на броя на протоните) в ядрото се увеличава с увеличаване на атомния номер, а за фрагментите, образувани по време на делене, броят на неутроните става по-голям отколкото е възможно за ядра на атоми с по-малък брой.

Разделянето често се случва на фрагменти с неравна маса. Тези фрагменти са радиоактивни. След сериала β -разпад, в резултат на това се образуват стабилни йони.

с изключение принуден, Случва се спонтанно делене на уранови ядра, който е открит през 1940 г. от съветските физици G.N.Flerov и K.A.Petrzhak. Времето на полуразпад за спонтанно делене е 10 16 години, което е 2 милиона пъти по-голямо от времето на полуразпад за α - разпад на урана.

Сливането на ядрата се случва в термоядрени реакции. Реакции на синтез- Това са реакции на сливане на леки ядра при много висока температура. Енергията, която се отделя по време на синтез (синтез), ще бъде максимална по време на синтеза на леки елементи, които имат най-малко енергия на свързване. Когато две леки ядра, например, деутерий и тритий, се комбинират, се образува по-тежко ядро ​​на хелий с по-висока енергия на свързване:

При такъв процес на ядрен синтез се освобождава значителна енергия (17,6 MeV), равна на разликата в енергията на свързване на тежко ядро ​​и две леки ядра ... Неутронът, образуван по време на реакциите, придобива 70% от тази енергия. Сравнението на енергията на нуклон в реакциите на ядрено делене (0,9 MeV) и синтез (17,6 MeV) показва, че реакцията на синтез на леки ядра е енергийно по-благоприятна от реакцията на делене на тежките ядра.

Сливането на ядрата става под действието на силите на ядрено привличане, така че те трябва да се приближават на разстояния, по-малки от 10 -14, на които действат ядрените сили. Това сближаване се възпрепятства от кулоновското отблъскване на положително заредените ядра. Тя може да бъде преодоляна само благодарение на високата кинетична енергия на ядрата, която надвишава енергията на тяхното кулоново отблъскване. От съответните изчисления може да се види, че кинетичната енергия на ядрата, която е необходима за реакцията на синтез, може да се постигне при температури от порядъка на стотици милиони градуси, поради което тези реакции се наричат термоядрен.

Термоядрен синтез- реакция, при която при висока температура над 10 7 К от леки ядра се синтезират по-тежки ядра.

Термоядреният синтез е източник на енергия за всички звезди, включително Слънцето.

Основният процес, чрез който се осъществява освобождаването на термоядрена енергия в звездите, е превръщането на водорода в хелий. Поради дефекта на масата в тази реакция масата на Слънцето намалява с 4 милиона тона всяка секунда.

Голяма кинетична енергия, която е необходима за термоядрен синтез, ядрата на водорода получават в резултат на силно гравитационно привличане към центъра на звездата. След това, когато ядрата на хелия се сливат, се образуват и по-тежки елементи.

Термоядрените реакции играят една от основните роли в еволюцията на химичния състав на материята във Вселената. Всички тези реакции протичат с освобождаването на енергия, която се излъчва от звездите под формата на светлина в продължение на милиарди години.

Изпълнението на контролиран термоядрен синтез би осигурило на човечеството нов, практически неизчерпаем източник на енергия. И деутерий, и тритий, необходими за неговото прилагане, са лесно достъпни. Първият се съдържа във водата на моретата и океаните (в количество, достатъчно за използване за милион години), вторият може да бъде получен в ядрен реактор чрез облъчване на течен литий (запасите на който са огромни) с неутрони:

Едно от най-важните предимства на контролирания термоядрен синтез е липсата на радиоактивни отпадъци по време на неговото осъществяване (за разлика от реакциите на делене на тежки уранови ядра).

Основната пречка за осъществяването на контролиран термоядрен синтез е невъзможността за задържане на високотемпературна плазма с помощта на силни магнитни полета за 0,1-1. Има обаче увереност, че рано или късно ще бъдат създадени термоядрени реактори.

Досега е било възможно само да се произвежда неконтролируема реакциясливане на експлозивен тип във водородна бомба.