ბირთვების დაშლა და შერწყმა. მძიმე ბირთვების დაშლის ენერგიის წარმოშობა რა განსაზღვრავს ურანის ატომის დაშლას

დაშლის დროს გამოთავისუფლებული ენერგია E იზრდება Z 2 / A. Z 2 / A = 17 89 Y (იტრიუმი). იმ. დაშლა ენერგიულად ხელსაყრელია იტრიუმზე მძიმე ყველა ბირთვისათვის. რატომ არის ბირთვების უმრავლესობა რეზისტენტული სპონტანური დაშლის მიმართ? ამ კითხვაზე პასუხის გასაცემად აუცილებელია გავითვალისწინოთ გაყოფის მექანიზმი.

დაშლის პროცესში იცვლება ბირთვის ფორმა. ბირთვი თანმიმდევრულად გადის შემდეგ ეტაპებს (სურ. 7.1): ბურთი, ელიფსოიდი, ჰანტელი, ორი მსხლის ფორმის ფრაგმენტი, ორი სფერული ფრაგმენტი. როგორ იცვლება ბირთვის პოტენციური ენერგია დაშლის სხვადასხვა ეტაპზე?
საწყისი ბირთვი გადიდებით რიღებს რევოლუციის სულ უფრო და უფრო გახანგრძლივებული ელიფსოიდის სახეს. ამ შემთხვევაში, ბირთვის ფორმის ევოლუციის გამო, მისი პოტენციური ენერგიის ცვლილება განისაზღვრება ზედაპირის ჯამური ცვლილებით და კულონის ენერგიები E n + E კ. ზედაპირული ენერგია ამ შემთხვევაში იზრდება, ვინაიდან ბირთვის ზედაპირის ფართობი იზრდება. კულონის ენერგია მცირდება პროტონებს შორის საშუალო მანძილის მატებასთან ერთად. თუ უმნიშვნელო დეფორმაციით, რომელსაც ახასიათებს მცირე პარამეტრი, საწყისი ბირთვი იღებს ღერძულად სიმეტრიულ ელიფსოიდს, ზედაპირული ენერგია E "n და კულონის ენერგია E" k, როგორც დეფორმაციის პარამეტრის ფუნქციები იცვლება შემდეგნაირად:

ურთიერთობებში (7.4–7.5) ე n და ე k - ზედაპირული და კულონური ენერგიები საწყისი სფერულად სიმეტრიული ბირთვის.
მძიმე ბირთვების რეგიონში 2E n> E k და ზედაპირისა და კულონის ენერგიების ჯამი იზრდება. (7.4) და (7.5) აქედან გამომდინარეობს, რომ მცირე დეფორმაციებზე, ზედაპირული ენერგიის ზრდა ხელს უშლის ბირთვის ფორმის შემდგომ ცვლილებას და, შესაბამისად, დაშლას.
ურთიერთობა (7.5) მოქმედებს მცირე დეფორმაციებისთვის. თუ დეფორმაცია იმდენად დიდია, რომ ბირთვი იღებს ჰანტელის ფორმას, მაშინ ზედაპირი და კულონის ძალები მიდრეკილია ბირთვის გამოყოფისა და ფრაგმენტებისათვის სფერული ფორმის. ამრიგად, ბირთვის დეფორმაციის თანდათანობითი მატებით, მისი პოტენციური ენერგია გადის მაქსიმუმზე. ბირთვის ზედაპირისა და კულონის ენერგიების ცვლილებების გრაფიკი r– ის ფუნქციით ნაჩვენებია ნახ. 7.2.

პოტენციური ბარიერის არსებობა ხელს უშლის მყისიერ სპონტანურ ბირთვულ დაშლას. ბირთვის გაყოფის მიზნით, მას უნდა მიენიჭოს ენერგია Q, რომელიც აღემატება დაშლის ბარიერის სიმაღლეს H. გამყოფი ბირთვის E + H (მაგალითად, ოქრო) მაქსიმალური პოტენციური ენერგია ორ იდენტურ ფრაგმენტად არის 3 173 მევ, და ენერგიის ღირებულება, რომელიც გამოყოფილია დაშლის დროს, არის 132 მევ ... ამრიგად, ოქროს ბირთვის დაშლისას აუცილებელია პოტენციური ბარიერის გადალახვა, რომლის სიმაღლეა დაახლოებით 40 მევ.
დაშლის ბარიერის სიმაღლე H უფრო დიდია, რაც უფრო მცირეა კულონის და ზედაპირული ენერგიების თანაფარდობა E / E n საწყის ბირთვში. ეს თანაფარდობა, თავის მხრივ, იზრდება დაშლის პარამეტრის Z 2 / A (7.3) გაზრდით. რაც უფრო მძიმეა ბირთვი, მით უფრო დაბალია დაშლის ბარიერის H სიმაღლე, ვინაიდან დაშლის პარამეტრი, ვარაუდობენ, რომ Z პროპორციულია A, იზრდება მასის რიცხვის მატებასთან ერთად:

ამრიგად, უფრო მძიმე ბირთვებს, როგორც წესი, ნაკლები ენერგიის გადაცემა სჭირდება ბირთვული დაშლის მიზნით.
დაშლის ბარიერის სიმაღლე ქრება 2E p - E k = 0 (7.5). Ამ შემთხვევაში

2E p / E k = 2 (a 2 A) / (a ​​3 Z 2),

Z 2 / A = 2a 2 / (a ​​3 Z 2) 49.

ამრიგად, წვეთოვანი მოდელის თანახმად, Z2 / A> 49 ბირთვები არ შეიძლება არსებობდეს ბუნებაში, რადგან ისინი სპონტანურად უნდა გაიყონ ორ ფრაგმენტად დამახასიათებელ ბირთვულ დროს 10–22 წმ – ის რიგის მიხედვით. პოტენციური ბარიერის H ფორმისა და სიმაღლის დამოკიდებულება, ისევე როგორც დაშლის ენერგია პარამეტრის მნიშვნელობაზე Z 2 / A ნაჩვენებია ნახ. 7.3.

ბრინჯი 7.3. პოტენციური ბარიერის ფორმისა და სიმაღლის რადიალური დამოკიდებულება და დაშლის ენერგია E პარამეტრის Z 2 / A სხვადასხვა მნიშვნელობებზე. E p + E k მნიშვნელობა გამოსახულია ვერტიკალურ ღერძზე.

ბირთვების სპონტანური დაშლა Z 2 / A– ით< 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 წელი 232 Th– მდე 0.3 s– მდე 260 Rf– მდე.
ბირთვების იძულებითი დაშლა Z2 / A– ით< 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.
ნეიტრონის დაჭერისას წარმოქმნილი ნაერთი ბირთვის E * აღგზნების ენერგიის მინიმალური მნიშვნელობა უდრის ამ ბირთვში ნეიტრონის შეკავშირების ენერგიას ε n. ცხრილი 7.1 ადარებს ბარიერის სიმაღლეს H და ნეიტრონების შეკავშირების ენერგიას ε n იზოტოპებს Th, U, Pu, რომლებიც წარმოიქმნება ნეიტრონების დაჭერის შემდეგ. ნეიტრონის შეკავშირების ენერგია დამოკიდებულია ბირთვში ნეიტრონების რაოდენობაზე. დაწყვილების ენერგიის გამო, ლუწი ნეიტრონის შეკავშირების ენერგია უფრო მეტია, ვიდრე კენტი ნეიტრონის შეკავშირების ენერგია.

ცხრილი 7.1

დაშლის ბარიერის სიმაღლე H, ნეიტრონების შეკავშირების ენერგია ε n

დაშლის დამახასიათებელი თვისებაა ის, რომ ფრაგმენტებს ჩვეულებრივ აქვთ განსხვავებული მასები. 235 U ყველაზე სავარაუდო დაშლის შემთხვევაში, ფრაგმენტის მასის თანაფარდობა, საშუალოდ, 1.5 ~. ფრაგმენტების მასობრივი განაწილება 235 U დაშლიდან თერმული ნეიტრონებით ნაჩვენებია ნახ. 7.4 ყველაზე სავარაუდო დაშლისას მძიმე ფრაგმენტს აქვს მასის რიცხვი 139, მსუბუქი - 95. დაშლის პროდუქტებს შორის არის ფრაგმენტები A = 72 - 161 და Z = 30 - 65. დაშლის ალბათობა ორ ფრაგმენტად თანაბარი მასა არ არის ნული. 235 U დაშლისას თერმული ნეიტრონებით, სიმეტრიული დაშლის ალბათობა დაახლოებით სამი ორდენით ნაკლებია ვიდრე A = 139 და 95 ფრაგმენტებად ყველაზე სავარაუდო დაშლის შემთხვევაში.
ასიმეტრიული დაშლა აიხსნება ბირთვის გარსის სტრუქტურით. ბირთვი იშლება ისე, რომ თითოეული ფრაგმენტის ნუკლეონების ძირითადი ნაწილი ქმნის ყველაზე სტაბილურ ჯადოსნურ ჩონჩხს.
ნეიტრონების რაოდენობის თანაფარდობა პროტონების რაოდენობას 235 ბირთვში არის U N / Z = 1.55, ხოლო სტაბილური იზოტოპებისთვის, რომელთაც აქვთ მასობრივი რიცხვი ფრაგმენტების მასის რაოდენობასთან ახლოს, ეს თანაფარდობაა 1.25 - 1.45. შესაბამისად, დაშლის ფრაგმენტები აღმოჩნდება ძლიერ გადატვირთული ნეიტრონებით და უნდა იყოს
β - რადიოაქტიური ამრიგად, დაშლის ფრაგმენტები განიცდიან თანმიმდევრულ β- დაშლას და პირველადი ფრაგმენტის მუხტი შეიძლება განსხვავდებოდეს 4-6 ერთეულით. ქვემოთ მოცემულია რადიოაქტიური დაშლის ტიპიური ჯაჭვი 97 კრ - ერთ -ერთი ფრაგმენტი, რომელიც ჩამოყალიბდა 235 U დაშლის დროს:

ფრაგმენტების აღგზნება გამოწვეული პროტონებისა და ნეიტრონების რაოდენობის თანაფარდობის დარღვევით, რაც დამახასიათებელია სტაბილური ბირთვებისთვის, ასევე ამოღებულია სწრაფი დაშლის ნეიტრონების ემისიის გამო. ეს ნეიტრონები გამოიყოფა ფრაგმენტების გადაადგილებით ~ 10 -14 წმ -ზე ნაკლებ დროში. საშუალოდ, 2 - 3 სწრაფი ნეიტრონი გამოიყოფა თითოეულ დაშლის მოქმედებაში. მათი ენერგიის სპექტრი უწყვეტია მაქსიმუმ დაახლოებით 1 მევ. საშუალო სწრაფი ნეიტრონული ენერგია ახლოს არის 2 მევ. თითოეულ დაშლაზე ერთზე მეტი ნეიტრონის ემისია შესაძლებელს ხდის ენერგიის მოპოვებას ბირთვული დაშლის ჯაჭვური რეაქციით.
235 U– ს ყველაზე სავარაუდო დაშლით თერმული ნეიტრონებით, მსუბუქი ფრაგმენტი (A = 95) იძენს კინეტიკურ ენერგიას Me 100 MeV, ხოლო მძიმე (A = 139) - დაახლოებით 67 MeV. ამრიგად, ფრაგმენტების მთლიანი კინეტიკური ენერგია არის 7 167 მევ. ამ შემთხვევაში დაშლის მთლიანი ენერგია არის 200 მევ. ამრიგად, დარჩენილი ენერგია (33 მევ) გადანაწილებულია სხვა დაშლის პროდუქტებს შორის (ნეიტრონები, ელექტრონები და ანტინეიტრინოები β -ფრაგმენტების დაშლა, γ -გამოსხივების ფრაგმენტები და მათი დაშლის პროდუქტები). დაშლის ენერგიის განაწილება სხვადასხვა პროდუქტს შორის 235 U დაშლაში თერმული ნეიტრონებით მოცემულია ცხრილში 7.2.

ცხრილი 7.2

დაშლის ენერგიის განაწილება 235 U თერმული ნეიტრონებით

დაშლის პროდუქტები (NPPs) არის 36 ელემენტის 200 -ზე მეტი რადიოაქტიური იზოტოპის კომპლექსი (თუთიიდან გადოლინიუმამდე). საქმიანობის უმეტესობა შედგება მოკლევადიანი რადიონუკლიდებისგან. ამრიგად, აფეთქებიდან 7, 49 და 343 დღის შემდეგ, ატომური ელექტროსადგურის მოქმედება მცირდება, შესაბამისად, 10, 100 და 1000 -ჯერ, აფეთქებიდან ერთი საათის შემდეგ აქტივობასთან შედარებით. ყველაზე ბიოლოგიურად მნიშვნელოვანი რადიონუკლიდების გამომუშავება ნაჩვენებია ცხრილში 7.3. NPP– ს გარდა, რადიოაქტიური დაბინძურება გამოწვეულია გამოწვეული აქტივობის რადიონუკლიდებით (3 H, 14 C, 28 Al, 24 Na, 56 Mn, 59 Fe, 60 Co და სხვ.) და ურანისა და პლუტონიუმის განუყოფელი ნაწილი. განსაკუთრებით დიდია გამოწვეული აქტივობის როლი თერმობირთვულ აფეთქებებში.

ცხრილი 7.3

ბირთვული აფეთქების შედეგად დაშლის ზოგიერთი პროდუქტის გამოშვება

ატმოსფეროში ბირთვული აფეთქებების დროს ნალექების მნიშვნელოვანი ნაწილი (ხმელეთის აფეთქებებში 50%-მდე) მოდის საცდელ ზონასთან ახლოს. ზოგიერთი რადიოაქტიური ნივთიერება ინახება ატმოსფეროს ქვედა ნაწილში და ქარის გავლენის ქვეშ მოძრაობს დიდ დისტანციებზე და რჩება დაახლოებით იმავე განედზე. დაახლოებით ერთი თვის განმავლობაში ჰაერში ყოფნისას რადიოაქტიური ნივთიერებები თანდათან ეცემა დედამიწას ამ მოძრაობის დროს. რადიონუკლიდების უმეტესობა გამოიყოფა სტრატოსფეროში (10-15 კმ სიმაღლეზე), სადაც ისინი გლობალურად არიან მიმოფანტული და მეტწილად გაფუჭებულნი.
ბირთვული რეაქტორების სხვადასხვა სტრუქტურული ელემენტები ათწლეულების განმავლობაში ძალიან აქტიურია (ცხრილი 7.4)

ცხრილი 7.4

სამი წლის მუშაობის შემდეგ რეაქტორიდან ამოღებული ძირითადი დაშლის პროდუქტების სპეციფიკური აქტივობის ღირებულებები (Bq / t ურანი)

ბირთვული დაშლა არის მძიმე ატომის გაყოფა დაახლოებით თანაბარი მასის ორ ნაწილად, რასაც თან ახლავს დიდი რაოდენობით ენერგიის გამოყოფა.

ბირთვული დაშლის აღმოჩენამ დაიწყო ახალი ერა - "ატომური ხანა". მისი შესაძლო გამოყენების პოტენციალი და მისი გამოყენების რისკის თანაფარდობა არა მხოლოდ ბევრ სოციოლოგიურ, პოლიტიკურ, ეკონომიკურ და მეცნიერულ წინსვლას, არამედ სერიოზულ პრობლემებსაც წარმოშობს. წმინდა მეცნიერული თვალსაზრისითაც კი, ბირთვული დაშლის პროცესმა შექმნა დიდი რაოდენობის გამოცანები და გართულებები და მისი სრული თეორიული ახსნა მომავლის საქმეა.

გაზიარება მომგებიანია

შემაკავშირებელი ენერგიები (თითო ნუკლეონზე) განსხვავებულია სხვადასხვა ბირთვებისთვის. უფრო მძიმეებს აქვთ ნაკლები სავალდებულო ენერგია, ვიდრე პერიოდული ცხრილის შუაგულში.

ეს ნიშნავს, რომ 100 -ზე მეტი ატომური რიცხვის მძიმე ბირთვებისათვის სასარგებლოა ორ პატარა ფრაგმენტად გაყოფა, რითაც გამოიყოფა ენერგია, რომელიც გარდაიქმნება ფრაგმენტების კინეტიკურ ენერგიად. ამ პროცესს გაყოფა ჰქვია

სტაბილურობის მრუდის მიხედვით, რომელიც გვიჩვენებს პროტონების რაოდენობის დამოკიდებულებას ნეიტრონების რაოდენობაზე სტაბილური ნუკლეიდებისთვის, უფრო მძიმე ბირთვები უფრო მეტ ნეიტრონებს ანიჭებენ უპირატესობას (ვიდრე პროტონების რაოდენობას) ვიდრე მსუბუქებს. ეს მიგვითითებს იმაზე, რომ დაშლის პროცესთან ერთად, ზოგიერთი "სათადარიგო" ნეიტრონი გამოიყოფა. გარდა ამისა, ისინი ასევე მიიღებენ გამოთავისუფლებულ ენერგიას. ურანის ატომის დაშლის კვლევამ აჩვენა, რომ გამოთავისუფლებულია 3-4 ნეიტრონი: 238 U → 145 La + 90 Br + 3n.

ფრაგმენტის ატომური რიცხვი (და ატომური მასა) არ არის მშობლის ატომური მასის ნახევარი. განხეთქილების შედეგად წარმოქმნილი ატომების მასებს შორის განსხვავება ჩვეულებრივ 50 -ია. მართალია, ამის მიზეზი ჯერ ბოლომდე არ არის გასაგები.

238 U, 145 La და 90 Br სავალდებულო ენერგიებია შესაბამისად 1803, 1198 და 763 MeV. ეს ნიშნავს, რომ ამ რეაქციის შედეგად გამოიყოფა ურანის ბირთვის დაშლის ენერგია, ტოლი 1198 + 763-1803 = 158 მევ.

სპონტანური დაყოფა

სპონტანური გაყოფის პროცესები ცნობილია ბუნებაში, მაგრამ ისინი ძალიან იშვიათია. ამ პროცესის საშუალო სიცოცხლე დაახლოებით 10 17 წელია და, მაგალითად, იგივე რადიონუკლიდის ალფა დაშლის საშუალო სიცოცხლე დაახლოებით 10 11 წელია.

ამის მიზეზი ის არის, რომ ორ ნაწილად გაყოფის მიზნით, ბირთვმა ჯერ უნდა განიცადოს დეფორმაცია (დაჭიმვა) ელიფსოიდურ ფორმაში, შემდეგ კი, სანამ საბოლოოდ ორ ფრაგმენტად გაიყოს, შუაში შექმნას „კისერი“.

პოტენციური ბარიერი

დეფორმირებულ მდგომარეობაში ბირთვზე მოქმედებს ორი ძალა. ერთი მათგანი არის გაზრდილი ზედაპირული ენერგია (თხევადი წვეთის ზედაპირული დაძაბულობა განმარტავს მის სფერულ ფორმას), ხოლო მეორე არის კულონის მოგერიება დაშლის ფრაგმენტებს შორის. ისინი ერთად ქმნიან პოტენციურ ბარიერს.

როგორც ალფა დაშლის შემთხვევაში, ურანის ატომის სპონტანური დაშლის მიზნით, ფრაგმენტებმა უნდა გადალახონ ეს ბარიერი კვანტური გვირაბის გამოყენებით. ბარიერის ზომა არის დაახლოებით 6 მევ, როგორც ალფა დაშლის შემთხვევაში, მაგრამ ალფა ნაწილაკის გვირაბში მოხვედრის ალბათობა გაცილებით დიდია, ვიდრე გაცილებით მძიმე ატომის გამყოფი პროდუქტის.

იძულებითი გაყოფა

ურანის ბირთვის ინდუცირებული დაშლა გაცილებით სავარაუდოა. ამ შემთხვევაში, დედის ბირთვი დასხივდება ნეიტრონებით. თუ მშობელი შთანთქავს მას, მაშინ ისინი აკავშირებენ, ათავისუფლებენ სავალდებულო ენერგიას ვიბრაციული ენერგიის სახით, რომელიც შეიძლება აღემატებოდეს 6 მევ -ს, რაც საჭიროა პოტენციური ბარიერის დასაძლევად.

იქ, სადაც დამატებითი ნეიტრონის ენერგია არასაკმარისია პოტენციური ბარიერის დასაძლევად, ინციდენტის ნეიტრონს უნდა ჰქონდეს მინიმალური კინეტიკური ენერგია, რათა შეძლოს ატომის გაყოფის გამოწვევა. 238 U- ის შემთხვევაში დამატებითი ნეიტრონების შემაკავშირებელ ენერგიას აკლია დაახლოებით 1 მევ. ეს ნიშნავს, რომ ურანის ბირთვის დაშლა გამოწვეულია მხოლოდ ნეიტრონით, რომლის კინეტიკური ენერგია აღემატება 1 მევ. მეორეს მხრივ, 235 U იზოტოპს აქვს ერთი დაუწყვილებელი ნეიტრონი. როდესაც ბირთვი შთანთქავს დამატებით, ის ქმნის წყვილს მასთან და ამ დაწყვილების შედეგად ჩნდება დამატებითი სავალდებულო ენერგია. ეს საკმარისია იმისათვის, რომ გამოთავისუფლდეს ენერგიის რაოდენობა ბირთვს პოტენციური ბარიერის დასაძლევად და იზოტოპის დაშლა ხდება რომელიმე ნეიტრონთან შეჯახებისას.

ბეტა დაშლა

იმისდა მიუხედავად, რომ დაშლის რეაქციის დროს სამი ან ოთხი ნეიტრონი გამოიყოფა, ფრაგმენტები მაინც უფრო მეტ ნეიტრონს შეიცავს ვიდრე მათი სტაბილური იზობარები. ეს ნიშნავს, რომ დაშლის ფრაგმენტები ზოგადად არასტაბილურია ბეტა დაშლის მიმართ.

მაგალითად, როდესაც ხდება ურანის 238 U ბირთვის დაშლა, სტაბილური იზობარი А = 145 არის ნეოდიმი 145 Nd, რაც ნიშნავს რომ ლანთანის ფრაგმენტი 145 La იშლება სამ ეტაპად, ყოველ ჯერზე გამოსცემს ელექტრონს და ანტინეიტრინოს სტაბილურობამდე წარმოიქმნება ნუკლიდი. ცირკონიუმი 90 Zr არის სტაბილური იზობარი A = 90; შესაბამისად, ფრაგმენტი ბრომის 90 Br დაშლის შედეგად იშლება β- დაშლის ჯაჭვის ხუთ სტადიაში.

ეს β- დაშლის ჯაჭვები ათავისუფლებენ დამატებით ენერგიას, რომელიც თითქმის ყველა გადატანილია ელექტრონებით და ანტინეიტრინოებით.

ბირთვული რეაქციები: ურანის ბირთვების დაშლა

ბირთვული სტაბილურობის უზრუნველსაყოფად ნუკლეიდიდან ნეიტრონის პირდაპირი ემისია ძალიან ბევრი მათგანით. აქ საქმე იმაშია, რომ არ არსებობს კულონის მოგერიება და, შესაბამისად, ზედაპირული ენერგია ცდილობს შეინარჩუნოს ნეიტრონი მშობელთან დაკავშირებით. მიუხედავად ამისა, ეს ზოგჯერ ხდება. მაგალითად, 90 Br დაშლის ფრაგმენტი ბეტა დაშლის პირველ ეტაპზე წარმოქმნის კრიპტონ -90-ს, რომელიც შეიძლება იყოს აღგზნებულ მდგომარეობაში საკმარისი ენერგიით ზედაპირული ენერგიის დასაძლევად. ამ შემთხვევაში, ნეიტრონების ემისია შეიძლება მოხდეს უშუალოდ კრიპტონ -89 წარმოქმნით. ის ჯერ კიდევ არასტაბილურია β- დაშლასთან დაკავშირებით, სანამ არ გადაიქცევა სტაბილურ იტრიუმ -89-ში, ასე რომ კრიპტონ -89 სამ სტადიაში იშლება.

ურანის ბირთვების დაშლა: ჯაჭვური რეაქცია

დაშლის რეაქციაში გამოსხივებული ნეიტრონები შეიძლება შეიწოვოს სხვა მშობელმა ბირთვმა, რომელიც შემდეგ გადის თვით ინდუცირებულ დაშლას. ურანი -238 შემთხვევაში, წარმოქმნილი სამი ნეიტრონი გამოდის 1 მევ -ზე ნაკლები ენერგიით (ურანის ბირთვის დაშლის დროს გამოთავისუფლებული ენერგია - 158 მევ - ძირითადად გარდაიქმნება დაშლის ფრაგმენტების კინეტიკურ ენერგიად), ამიტომ მათ არ შეუძლიათ გამოიწვიონ ამ ნუკლიდის შემდგომი დაშლა. მიუხედავად ამისა, იშვიათი 235 U იზოტოპის მნიშვნელოვანი კონცენტრაციისას, ეს თავისუფალი ნეიტრონები შეიძლება დაიჭიროს 235 U ბირთვით, რამაც შეიძლება მართლაც გამოიწვიოს გაყოფა, რადგან ამ შემთხვევაში არ არსებობს ენერგიის ბარიერი, რომლის ქვემოთ დაშლა არ არის გამოწვეული.

ეს არის ჯაჭვური რეაქციის პრინციპი.

ბირთვული რეაქციების სახეები

მოდით k იყოს ნეიტრონების რაოდენობა, რომლებიც წარმოიქმნება ამ ჯაჭვის n ეტაპზე დაშლილი მასალის ნიმუშში, გაყოფილი n ეტაპზე ნეიტრონების რაოდენობაზე - 1. ეს რიცხვი დამოკიდებული იქნება იმაზე, თუ რამდენი ნეიტრონები წარმოიქმნება n - 1 ეტაპზე ბირთვით, რომელსაც შეუძლია გაიაროს იძულებითი გაყოფა.

თუ კ< 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.

თუ k> 1, მაშინ ჯაჭვური რეაქცია გაიზრდება მანამ, სანამ არ გამოიყენებენ ყველა ნგრევას. ეს მიიღწევა ბუნებრივი მადნის გამდიდრებით, რათა მიიღოთ ურანი -235 საკმაოდ მაღალი კონცენტრაცია. სფერული ნიმუშისთვის, k- ის მნიშვნელობა იზრდება ნეიტრონების შთანთქმის ალბათობის მატებასთან ერთად, რაც დამოკიდებულია სფეროს რადიუსზე. ამრიგად, U მასა უნდა აღემატებოდეს გარკვეულ რაოდენობას, რათა მოხდეს ურანის ბირთვების დაშლა (ჯაჭვური რეაქცია).

თუ k = 1, მაშინ ხდება კონტროლირებადი რეაქცია. ეს გამოიყენება პროცესში კონტროლდება კადმიუმის ან ბორის ღეროების განაწილება ურანს შორის, რომლებიც შთანთქავენ ნეიტრონების უმეტესობას (ამ ელემენტებს აქვთ ნეიტრონების დაჭერის უნარი). ურანის ბირთვის დაშლა ავტომატურად კონტროლდება ღეროების გადაადგილებით ისე, რომ k- ის მნიშვნელობა რჩება ერთიანობის ტოლი.

ხდება ურანის ბირთვების დაშლა შემდეგნაირად:პირველი, ნეიტრონი ურტყამს ბირთვს, ისევე როგორც ტყვია ვაშლს. ვაშლის შემთხვევაში, ტყვიას მოხვდებოდა მასში ხვრელი, ან აფეთქდებოდა. როდესაც ნეიტრონი მოხვდება ბირთვში, ის იპყრობს ბირთვულ ძალებს. ცნობილია, რომ ნეიტრონი ნეიტრალურია, ამიტომ იგი არ მოიგერიება ელექტროსტატიკური ძალებით.

როგორ ხდება ურანის დაშლა

ასე რომ, ბირთვის შემადგენლობაში მოხვედრისას, ნეიტრონი არღვევს წონასწორობას და ბირთვი აღგზნებულია. იგი გადაჭიმულია გვერდებზე, როგორც ჰანტელი ან "უსასრულობის" ნიშანი: ∞ ... ცნობილია, რომ ბირთვული ძალები მოქმედებენ ნაწილაკების ზომის პროპორციულ მანძილზე. როდესაც ბირთვი გაჭიმულია, მაშინ ბირთვული ძალების მოქმედება უმნიშვნელო ხდება "ჰანტელის" უკიდურესი ნაწილაკებისთვის, ხოლო ელექტრული ძალები ძალიან მძლავრად მოქმედებენ ასეთ მანძილზე და ბირთვი უბრალოდ ორ ნაწილად იშლება. ამ შემთხვევაში, ორი ან სამი ნეიტრონი კვლავ გამოიყოფა.

ბირთვის ფრაგმენტები და გამოთავისუფლებული ნეიტრონები დიდი სიჩქარით იფანტება სხვადასხვა მიმართულებით. ფრაგმენტები სწრაფად შენელდება გარემოს მიერ, მაგრამ მათი კინეტიკური ენერგია უზარმაზარია. ის გარდაიქმნება გარემოს შინაგან ენერგიად, რომელიც თბება. ამავე დროს, გამოთავისუფლებული ენერგიის რაოდენობა უზარმაზარია. ერთი გრამი ურანის სრული დაშლის შედეგად მიღებული ენერგია დაახლოებით ტოლია 2.5 ტონა ზეთის დაწვის შედეგად მიღებული ენერგიისა.

რამოდენიმე ბირთვის დაშლის ჯაჭვური რეაქცია

ჩვენ განვიხილეთ ერთი ურანის ბირთვის დაშლა. დაშლა გამოუშვა რამდენიმე (ყველაზე ხშირად ორი ან სამი) ნეიტრონი. ისინი დიდი სიჩქარით დაფრინავენ და ადვილად შედიან სხვა ატომების ბირთვებში, რაც იწვევს მათში გახლეჩის რეაქციას. ეს არის ჯაჭვური რეაქცია.

ანუ, ბირთვული დაშლის შედეგად მიღებული ნეიტრონები აღაგზნებს და აიძულებს სხვა ბირთვებს დაშლისკენ, რაც თავის მხრივ ასხივებს ნეიტრონებს, რომლებიც განაგრძობენ შემდგომი დაშლის სტიმულირებას. და ასე შემდეგ სანამ არ მოხდება ურანის ყველა ბირთვის დაშლა უშუალო სიახლოვეს.

ამ შემთხვევაში, ჯაჭვური რეაქცია შეიძლება მოხდეს ზვავიმაგალითად, ატომური ბომბის აფეთქების შემთხვევაში. მოკლე დროში ბირთვული გახლეჩების რიცხვი ექსპონენტურად იზრდება. თუმცა, ჯაჭვური რეაქცია შეიძლება მოხდეს და გამუქებით.

ფაქტია, რომ ყველა ნეიტრონი არ ხვდება ბირთვებს გზაზე, რასაც ისინი იწვევს დაშლას. როგორც გვახსოვს, ნივთიერების შიგნით, ძირითადი მოცულობა იკავებს ნაწილაკებს შორის არსებული სიცარიელე. მაშასადამე, ზოგიერთი ნეიტრონი დაფრინავს ყველა მატერიაში ისე, რომ გზაზე არაფერს შეეჯახოს. და თუ დროთა განმავლობაში ბირთვული დაშლის რიცხვი მცირდება, მაშინ რეაქცია თანდათან ქრება.

ბირთვული რეაქციები და ურანის კრიტიკული მასა

რა განსაზღვრავს რეაქციის ტიპს?ურანის მასიდან. რაც უფრო დიდია მასა, მით მეტ ნაწილაკს შეხვდება მფრინავი ნეიტრონი თავის გზაზე და უფრო მეტი შანსია ბირთვში მოხვედრის. აქედან გამომდინარე, გამოირჩევა ურანის "კრიტიკული მასა" - ეს არის მინიმალური მასა, რომლის დროსაც შესაძლებელია ჯაჭვური რეაქცია.

წარმოებული ნეიტრონების რაოდენობა ტოლი იქნება ნეიტრონების გარეთ გაქცევის რიცხვისა. და რეაქცია გაგრძელდება დაახლოებით იგივე სიჩქარით, სანამ ნივთიერების მთლიანი მოცულობა არ ამოიწურება. ეს პრაქტიკაში გამოიყენება ბირთვულ ელექტროსადგურებში და ეწოდება კონტროლირებად ბირთვულ რეაქციას.

ენერგიის გამოყოფა ბირთვული დაშლის დროს.ისევე როგორც სხვა ბირთვულ რეაქციებში, დაშლის დროს გამოთავისუფლებული ენერგია ექვივალენტურია ურთიერთქმედების ნაწილაკებისა და საბოლოო პროდუქტების მასებში განსხვავების. მას შემდეგ, რაც ურანში ნუკლეონის დამაკავშირებელი ენერგია არის ერთი ნუკლეონის დამაკავშირებელი ენერგია ფრაგმენტებში ურანის დაშლის დროს, ენერგია უნდა განთავისუფლდეს

ამრიგად, ბირთვის დაშლისას გამოიყოფა უზარმაზარი ენერგია, მისი უზარმაზარი ნაწილი გამოიყოფა დაშლის ფრაგმენტების კინეტიკური ენერგიის სახით.

დაშლის პროდუქტების მასობრივი განაწილება.უმეტეს შემთხვევაში, ურანის ბირთვი ასიმეტრიულად იშლება. ორ ბირთვულ ფრაგმენტს აქვს შესაბამისი სიჩქარე და განსხვავებული მასა.

ფრაგმენტები მასების მიხედვით ორ ჯგუფად იყოფა; ერთი კრიპტონის მახლობლად მეორე ქსენონის მახლობლად ფრაგმენტების მასები ერთმანეთს საშუალოდ ეხება როგორც

დაშლის პროდუქტის სარგებელი მრუდი სიმეტრიულია წერტილში გამავალი ვერტიკალური სწორი ხაზის მიმართ.

ბრინჯი 82. ურანის დაშლის პროდუქტების განაწილება მასების მიხედვით

ჩამოთვლილი მახასიათებლები ძირითადად ეხება თერმული ნეიტრონების დაშლას; ოდნავ ან მეტი ენერგიის მქონე ნეიტრონების მოქმედების შედეგად დაშლის შემთხვევაში ბირთვი იშლება ორ ფრაგმენტად უფრო სიმეტრიული მასებით.

დაშლის პროდუქტის თვისებები.როდესაც ურანის ატომი იშლება, ჭურვის ძალიან ბევრი ელექტრონი იშლება, ხოლო დაშლის ფრაგმენტები დაახლოებით მრავლდება იონიზირებული დადებითი იონები, რომლებიც ნივთიერებაზე გავლისას ძლიერ იონიზებენ ატომებს. ამიტომ, ფრაგმენტების ბილიკები ჰაერში მცირეა და ახლოს 2 სმ.

ადვილი დასადგენია, რომ დაშლის დროს წარმოქმნილი ფრაგმენტები უნდა იყოს რადიოაქტიური, მიდრეკილი ნეიტრონების გამოსხივებისკენ. მართლაც, სტაბილურ ბირთვებში ნეიტრონებისა და პროტონების რაოდენობის თანაფარდობა იცვლება A– ს მიხედვით შემდეგნაირად:

(იხილეთ სკანირება)

დაშლის დროს წარმოქმნილი ბირთვები მაგიდის შუაშია და, შესაბამისად, შეიცავს უფრო მეტ ნეიტრონს, ვიდრე მისაღებია მათი სტაბილურობისთვის. მათი გათავისუფლება შესაძლებელია ჭარბი ნეიტრონებისგან როგორც დაშლით, ასევე უშუალოდ ნეიტრონების გამოსხივებით.

დაგვიანებული ნეიტრონები.დაშლის ერთ -ერთ შესაძლო ვარიანტში იქმნება რადიოაქტიური ბრომი. ლეღვი 83 გვიჩვენებს მისი დაშლის სქემას, რომლის ბოლოს არის სტაბილური იზოტოპები

ამ ჯაჭვის საინტერესო თვისება: კრიპტონი შეიძლება გათავისუფლდეს ზედმეტი ნეიტრონისგან ან –დაქვეითების გამო, ან თუ იგი წარმოიშვა აღგზნებულ მდგომარეობაში ნეიტრონის უშუალო ემისიის გამო. ეს ნეიტრონები წარმოიქმნება დაშლის შემდეგ 56 წამის განმავლობაში (სიცოცხლის ხანგრძლივობა აღგზნებულ მდგომარეობაში გადასვლასთან შედარებით, თუმცა ის თავად ასხივებს ნეიტრონებს თითქმის მყისიერად.

ბრინჯი 83. რადიოაქტიური ბრომის დაშლის სქემა, რომელიც წარმოიქმნება აღგზნებულ მდგომარეობაში ურანის დაშლის დროს

მათ უწოდებენ დაგვიანებულ ნეიტრონებს. დროთა განმავლობაში, დაგვიანებული ნეიტრონების ინტენსივობა იშლება ექსპონენციალურად, როგორც ჩვეულებრივი რადიოაქტიური დაშლის დროს.

ამ ნეიტრონების ენერგია უტოლდება ბირთვის აღგზნების ენერგიას. მიუხედავად იმისა, რომ მათ აქვთ დაშლის დროს გამოყოფილი ყველა ნეიტრონის მხოლოდ 0,75%, დაგვიანებული ნეიტრონები მნიშვნელოვან როლს ასრულებენ ჯაჭვურ რეაქციაში.

მყისიერი ნეიტრონები.ნეიტრონების 99% -ზე მეტი გამოიყოფა უკიდურესად მოკლე დროში; მათ უწოდებენ სწრაფ ნეიტრონებს.

დაშლის პროცესის შესწავლისას ჩნდება ფუნდამენტური კითხვა, რამდენი ნეიტრონი წარმოიქმნება ერთ დაშლის აქტში; ეს კითხვა მნიშვნელოვანია, რადგან თუ მათი რიცხვი საშუალოდ დიდია, ისინი შეიძლება გამოყენებულ იქნას შემდგომი ბირთვების დაშლის მიზნით, ანუ ჩნდება ჯაჭვური რეაქციის შექმნის შესაძლებლობა. ამ საკითხის გადაწყვეტის ზემოთ 1939-1940 წლებში. მუშაობდა მსოფლიოს თითქმის ყველა უმსხვილეს ბირთვულ ლაბორატორიაში.

ბირთვების დაშლითეწოდება პროცესს, რომლის დროსაც ერთი ატომური ბირთვიდან წარმოიქმნება 2 (ზოგჯერ 3) ბირთვი-ფრაგმენტი, რომლებიც მასით ახლოს არიან.

ეს პროცესი ყველასთვის სასარგებლოა β სტაბილური ბირთვები მასის ნომრით A> 100.

ურანის ბირთვების დაშლაგამოვლინდა 1939 წელს ჰანისა და სტრასმანის მიერ, რომლებმაც ცალსახად დაამტკიცეს, რომ როდესაც ურანის ბირთვები დაბომბეს ნეიტრონებით ურადიოაქტიური ბირთვები წარმოიქმნება მასებითა და მუხტებით, რომლებიც დაახლოებით მასის ნახევარია და ურანის ბირთვის მუხტი. იმავე წელს ლ. მაიტნერმა და ო. ფრიშერმა შემოიღეს ტერმინი " ბირთვების დაშლა”და აღინიშნა, რომ ამ პროცესში უზარმაზარი ენერგია გამოიყოფა და ფ. ჯოლიო-კიურმა და ე. ფერმიმ ერთდროულად აღმოაჩინეს, რომ დაშლა ასხივებს რამდენიმე ნეიტრონს (დაშლის ნეიტრონები)... ეს გახდა იდეის წინსვლის საფუძველი. დაშლის ჯაჭვური რეაქციადა ბირთვული დაშლის გამოყენება ენერგიის წყაროდ. ბირთვული დაშლა არის თანამედროვე ბირთვული ენერგიის საფუძველი 235 უდა 239 პუნეიტრონების გავლენის ქვეშ.

ბირთვის დაშლა შეიძლება მოხდეს იმის გამო, რომ მძიმე ბირთვის დანარჩენი მასა აღმოჩნდება უფრო დიდი ვიდრე ფრაგმენტების დანარჩენი მასების ჯამი, რომლებიც წარმოიქმნება დაშლის პროცესში.

გრაფიკი გვიჩვენებს, რომ ეს პროცესი მომგებიანი აღმოჩნდება ენერგეტიკული თვალსაზრისით.

ბირთვული დაშლის მექანიზმი შეიძლება აიხსნას წვეთოვანი მოდელის საფუძველზე, რომლის მიხედვითაც ნუკლეონების გროვა წააგავს დამუხტული სითხის წვეთს. ბირთვი იშლება გაფუჭებისაგან ბირთვული მიზიდულობის ძალებით, რომლებიც უფრო დიდია ვიდრე კულუმბის მოგერიების ძალები, რომლებიც მოქმედებენ პროტონებს შორის და აქვთ ბირთვის რღვევის ტენდენცია.

ბირთვი 235 უაქვს ბურთის ფორმა. ნეიტრონის შთანთქმის შემდეგ, იგი აღგზნებულია და დეფორმირდება, იძენს მოგრძო ფორმას (ფიგურაში ბ) და გადაჭიმულია მანამ, სანამ მოგრძო ბირთვის ნახევარს შორის უკუგდების ძალები არ აღემატება ისთმუსში მოქმედ მიზიდულობის ძალებს (ფიგურაში v). ამის შემდეგ, ბირთვი ორ ნაწილად იშლება (ფიგურაში გ). ფრაგმენტები, კულონის საძაგელი ძალების გავლენის ქვეშ, მიფრინავენ სინათლის სიჩქარის 1/30 ტოლი სიჩქარით.

ნეიტრონების ემისია დაშლის დროს, რაზეც ზემოთ ვისაუბრეთ, აიხსნება იმით, რომ ბირთვში ნეიტრონების ფარდობითი რაოდენობა (პროტონების რაოდენობასთან შედარებით) იზრდება ატომური რიცხვის მატებასთან ერთად, ხოლო დაშლის დროს წარმოქმნილი ფრაგმენტებისათვის ნეიტრონების რიცხვი უფრო დიდი ხდება ვიდრე შესაძლებელია მცირე რაოდენობის ატომების ბირთვებისთვის.

დაშლა ხშირად ხდება არათანაბარი მასის ფრაგმენტებად. ეს ფრაგმენტები რადიოაქტიურია. სერიალის შემდეგ β -გაფუჭება, შედეგად, იქმნება სტაბილური იონები.

გარდა იძულებული, ხდება ხოლმე ურანის ბირთვების სპონტანური დაშლა, რომელიც აღმოაჩინეს 1940 წელს საბჭოთა ფიზიკოსებმა გ.ნ. ფლეროვმა და კ.ა.პეტრჟაკმა. სპონტანური დაშლის ნახევარგამოყოფის პერიოდია 10 16 წელი, რაც 2 მილიონჯერ ნახევარდაშლის პერიოდია α -ურანის დაშლა.

ბირთვების შერწყმა ხდება თერმობირთვულ რეაქციებში. თერმობირთვული რეაქციები- ეს არის სინათლის ბირთვების შერწყმის რეაქციები ძალიან მაღალ ტემპერატურაზე. ენერგია, რომელიც გამოიყოფა შერწყმის დროს (სინთეზი) იქნება მაქსიმალური სინათლის ელემენტების სინთეზის დროს, რომლებსაც აქვთ ყველაზე ნაკლები დამაკავშირებელი ენერგია. როდესაც ორი მსუბუქი ბირთვი, მაგალითად, დეიტერიუმი და ტრიტიუმი გაერთიანდება, წარმოიქმნება უფრო მძიმე ჰელიუმის ბირთვი, რომელსაც აქვს უმაღლესი სავალდებულო ენერგია:

ბირთვული შერწყმის ამგვარი პროცესით გამოიყოფა მნიშვნელოვანი ენერგია (17.6 მევ), რაც უდრის მძიმე ბირთვისა და ორი მსუბუქი ბირთვის სავალდებულო ენერგიების სხვაობას. ... რეაქციების დროს წარმოქმნილი ნეიტრონი იძენს ამ ენერგიის 70% -ს. ბირთვულ დაშლაზე (0.9 მევ) და შერწყმაში (17.6 მევ) რეაქციების ერთ ენერგიაზე შედარება აჩვენებს, რომ მსუბუქი ბირთვების შერწყმის რეაქცია ენერგიულად უფრო ხელსაყრელია, ვიდრე მძიმე ბირთვების დაშლის რეაქცია.

ბირთვების შერწყმა ხდება ბირთვული მიზიდულობის ძალების მოქმედების ქვეშ, ამიტომ ისინი უნდა მიუახლოვდნენ 10 -14 -ზე ნაკლებ დისტანციებს, რაზეც მოქმედებს ბირთვული ძალები. ამ დაახლოებას ხელს უშლის კულუნის დადებითად დამუხტული ბირთვების მოგერიება. მისი გადალახვა შესაძლებელია მხოლოდ ბირთვების მაღალი კინეტიკური ენერგიის გამო, რაც აღემატება მათი კულონის უკუცემის ენერგიას. შესაბამისი გამოთვლებიდან ჩანს, რომ ბირთვების კინეტიკური ენერგია, რომელიც საჭიროა შერწყმის რეაქციისათვის, მიიღწევა ასობით მილიონი გრადუსიანი ტემპერატურის ტემპერატურაზე, ამიტომ ამ რეაქციებს ეწოდება თერმობირთვული.

თერმობირთვული შერწყმა- რეაქცია, რომლის დროსაც მაღალ ტემპერატურაზე, 107 K– ზე ზემოთ, მსუბუქი ბირთვებისგან სინთეზირდება უფრო მძიმე ბირთვები.

თერმობირთვული შერწყმა არის ენერგიის წყარო ყველა ვარსკვლავისთვის, მზის ჩათვლით.

ვარსკვლავებში თერმობირთვული ენერგიის განთავისუფლების მთავარი პროცესი წყალბადის ჰელიუმად გადაქცევაა. ამ რეაქციის მასობრივი დეფექტის გამო, მზის მასა ყოველ წამში მცირდება 4 მილიონი ტონით.

დიდი კინეტიკური ენერგია, რომელიც საჭიროა თერმობირთვული შერწყმისთვის, წყალბადის ბირთვები იღებს ვარსკვლავის ცენტრში ძლიერი გრავიტაციული მიზიდულობის შედეგად. ამის შემდეგ, როდესაც ჰელიუმის ბირთვები გაერთიანდება, უფრო მძიმე ელემენტებიც წარმოიქმნება.

თერმობირთვული რეაქციები ერთ -ერთ მთავარ როლს ასრულებენ სამყაროში მატერიის ქიმიური შემადგენლობის ევოლუციაში. ყველა ეს რეაქცია ხდება ენერგიის გათავისუფლებით, რომელსაც ასხივებენ ვარსკვლავები სინათლის სახით მილიარდობით წლის განმავლობაში.

კონტროლირებადი თერმობირთვული შერწყმის განხორციელება უზრუნველყოფს კაცობრიობას ენერგიის ახალ, პრაქტიკულად ამოუწურავ წყაროს. დეიტერიუმიც და ტრიტიუმიც, რომლებიც აუცილებელია მისი განხორციელებისთვის, ხელმისაწვდომია. პირველი შეიცავს ზღვებისა და ოკეანეების წყალს (იმ რაოდენობით, რაც საკმარისია მილიონი წლის განმავლობაში გამოსაყენებლად), მეორე შეიძლება მიღებულ იქნას ბირთვულ რეაქტორში თხევადი ლითიუმის (რომლის მარაგი უზარმაზარია) ნეიტრონებით დასხივებით.

კონტროლირებადი თერმობირთვული შერწყმის ერთ -ერთი უმნიშვნელოვანესი უპირატესობაა მისი განხორციელებისას რადიოაქტიური ნარჩენების არარსებობა (მძიმე ურანის ბირთვების დაშლის რეაქციებისგან განსხვავებით).

კონტროლირებადი თერმობირთვული შერწყმის განხორციელების მთავარი დაბრკოლება არის მაღალი ტემპერატურის პლაზმის შენახვის შეუძლებლობა ძლიერი მაგნიტური ველის გამოყენებით 0.1-1. თუმცა, არსებობს რწმენა, რომ ადრე თუ გვიან შეიქმნება თერმობირთვული რეაქტორები.

ამასობაში აღმოჩნდა, რომ მხოლოდ აწარმოებდა უკონტროლო რეაქციაწყალბადის ბომბში ასაფეთქებელი ტიპის შერწყმა.