Ядролардың бөлінуі және бірігуі. Ауыр ядролардың бөліну энергиясының шығу тегі Уран атомының бөлінуін не анықтайды

Бөліну кезінде бөлінетін E энергиясы Z 2 / А өскен сайын артады. 89 Y (иттрий) үшін Z 2 / A = 17. Анау. Бөліну иттрийден ауыр барлық ядролар үшін энергетикалық жағынан қолайлы. Неліктен ядролардың көпшілігі өздігінен бөлінуге төзімді? Бұл сұраққа жауап беру үшін бөліну механизмін қарастыру қажет.

Бөліну процесінде ядроның пішіні өзгереді. Ядро ретімен келесі кезеңдерден өтеді (7.1-сурет): доп, эллипсоид, гантель, алмұрт тәрізді екі сынық, екі шар тәрізді фрагмент. Бөлінудің әртүрлі кезеңдерінде ядроның потенциалдық энергиясы қалай өзгереді?
Үлкейтілген бастапқы ядро rреволюцияның барған сайын ұзаратын эллипсоиды түрін алады. Бұл жағдайда ядро ​​пішінінің эволюциясына байланысты оның потенциалдық энергиясының өзгеруі беттік және кулондық энергиялардың E n + E k қосындысының өзгеруімен анықталады.Бұл жағдайда беттік энергия өседі, өйткені ядроның беті ұлғаяды. Кулон энергиясы протондар арасындағы орташа қашықтық артқан сайын азаяды. Егер шағын параметрмен сипатталатын шамалы деформация кезінде бастапқы ядро ​​осьтік симметриялы эллипсоид пішінін алса, деформация параметрінің функциялары ретінде беттік энергия E «n және кулон энергиясы Е» k келесідей өзгереді:

Қарым-қатынаста (7,4–7,5) Е n және Е k – бастапқы сфералық симметриялы ядроның беттік және кулондық энергиялары.
Ауыр ядролар аймағында 2E n> E k және беттік және кулондық энергиялардың қосындысы өскен сайын артады. (7.4) және (7.5) тармақтарынан шығатыны, кішігірім деформацияларда беттік энергияның артуы ядро ​​пішінінің одан әрі өзгеруіне, демек, бөлінуге жол бермейді.
(7.5) қатынас шағын деформациялар үшін жарамды. Егер деформация ядро ​​гантель пішінін алатындай үлкен болса, онда беттік және кулондық күштер ядроны бөліп, фрагменттерге сфералық пішін беруге бейім. Осылайша, ядроның деформациясының біртіндеп ұлғаюымен оның потенциалдық энергиясы максимум арқылы өтеді. Ядроның r функциясына байланысты бетінің және кулондық энергиясының өзгеру графигі суретте көрсетілген. 7.2.

Потенциалды тосқауылдың болуы ядроның лезде өздігінен бөлінуіне жол бермейді. Ядроның бөлінуі үшін оған H бөліну тосқауылының биіктігінен асатын Q энергия беру керек. Бөлінетін ядроның E + H (мысалы, алтын) екі бірдей фрагментке максималды потенциалдық энергиясы ≈ 173 МэВ, және бөліну кезінде бөлінетін энергияның Е мәні 132 МэВ ... Осылайша, алтын ядросын ыдырату кезінде биіктігі шамамен 40 МэВ болатын потенциалдық кедергіні жеңу қажет.
Бөліну тосқауылының биіктігі H неғұрлым үлкен болса, бастапқы ядродағы кулондық және беттік энергиялардың E-ге / E n қатынасы соғұрлым төмен болады. Бұл арақатынас, өз кезегінде, Z 2 / A (7,3) бөліну параметрінің жоғарылауымен артады. Ядро неғұрлым ауыр болса, H бөліну тосқауылының биіктігі соғұрлым төмен болады, өйткені Z-ды А-ға пропорционал деп есептейтін бөліну параметрі массалық санның өсуіне қарай артады:

Сондықтан ауыр ядроларға, әдетте, ядролардың бөлінуін тудыру үшін аз энергия беру керек.
Бөліну кедергісінің биіктігі 2E n - E k = 0 (7,5) кезінде жойылады. Бұл жағдайда

2E p / E k = 2 (a 2 A) / (a ​​3 Z 2),

Z 2 / A = 2a 2 / (a ​​3 Z 2) ≈ 49.

Осылайша, тамшы үлгісіне сәйкес, Z 2 / A> 49 болатын ядролар табиғатта бола алмайды, өйткені олар 10 – 22 секундтық ядролық уақыт ішінде бірден екі фрагментке өздігінен бөлінуі керек. Н потенциалдық тосқауылдың пішіні мен биіктігінің, сондай-ақ бөліну энергиясының Z 2 / A параметрінің мәніне тәуелділіктері суретте көрсетілген. 7.3.

Күріш. 7.3. Z 2/A параметрінің әртүрлі мәндері үшін потенциалдық тосқауылдың пішіні мен биіктігінің және бөліну энергиясының E радиалды тәуелділігі. Тік осьте E p + E k мәні бейнеленген.

Ядролардың Z 2 / А-мен өздігінен ыдырауы< 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 >232 Th үшін 10 21 жыл 260 Rf үшін 0,3 с дейін.
Ядролардың Z 2 / А-мен мәжбүрлі ыдырауы< 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.
Нейтронды ұстау кезінде түзілген құрама ядроның E * қозу энергиясының минималды мәні осы ядродағы нейтронның байланыс энергиясына ε n тең. 7.1-кестеде нейтронды ұстаудан кейін түзілген Th, U, Pu изотоптары үшін тосқауыл биіктігі H мен нейтронды байланыстыру энергиясы ε n салыстырылады. Нейтронның байланыс энергиясы ядродағы нейтрондардың санына байланысты. Жұптасу энергиясына байланысты жұп нейтронның байланыс энергиясы тақ нейтронның байланыс энергиясынан үлкен.

7.1-кесте

Бөліну кедергісінің биіктігі H, нейтрондардың байланыс энергиясы ε n

Бөлінудің тән ерекшелігі, әдетте, фрагменттердің массасы әртүрлі болады. 235 U ең ықтимал бөліну жағдайында фрагмент массасының қатынасы орта есеппен ~ 1,5 құрайды. Термиялық нейтрондармен 235 U бөліну фрагменттерінің массалық таралуы суретте көрсетілген. 7.4. Ең ықтимал бөліну үшін ауыр фрагменттің массалық саны 139, жеңілі - 95. Бөліну өнімдерінің арасында A = 72 - 161 және Z = 30 - 65 болатын фрагменттері бар. Екі фрагментке бөліну ықтималдығы тең массасы нөлге тең емес. Жылулық нейтрондармен 235 U бөліну жағдайында симметриялық бөліну ықтималдығы А = 139 және 95 болатын фрагменттерге ең ықтимал бөліну жағдайына қарағанда шамамен үш реттік кіші.
Асимметриялық бөліну ядроның қабық құрылымымен түсіндіріледі. Ядро әрбір фрагменттің нуклондарының негізгі бөлігі ең тұрақты сиқырлы қаңқаны құрайтындай етіп бөлінуге бейім.
Нейтрондар санының 235 ядродағы протондар санына қатынасы U N / Z = 1,55 болса, массалық саны фрагменттердің массалық санына жақын тұрақты изотоптар үшін бұл қатынас 1,25 - 1,45 құрайды. Демек, бөліну фрагменттері нейтрондармен қатты жүктелген болып шығады және олар болуы керек.
β – радиоактивті. Сондықтан бөліну фрагменттері кезекті β - ыдырауларға ұшырайды, ал біріншілік фрагменттің заряды 4 - 6 бірлікке өзгеруі мүмкін. Төменде 97 Кр радиоактивті ыдыраулардың типтік тізбегі берілген, 235 U ыдырау кезінде пайда болған фрагменттердің бірі:

Тұрақты ядроларға тән протондар мен нейтрондар санының арақатынасының бұзылуынан туындаған фрагменттердің қозуы тез бөлінетін нейтрондардың эмиссиясы есебінен де жойылады. Бұл нейтрондар қозғалатын фрагменттерден ~ 10 -14 секундтан аз уақыт ішінде шығарылады. Әрбір бөліну әрекетінде орта есеппен 2 - 3 жедел нейтрондар шығарылады. Олардың энергетикалық спектрі максимум 1 МэВ шамасында үздіксіз. Орташа жедел нейтрон энергиясы 2 МэВ-қа жақын. Әрбір бөліну оқиғасында бір нейтроннан артық шығарылым ядролық ыдырау тізбекті реакциясы арқылы энергия алуға мүмкіндік береді.
Жылулық нейтрондармен 235 U ең ықтимал бөліну кезінде жеңіл фрагмент (A = 95) ≈ 100 МэВ, ал ауыр (A = 139) - шамамен 67 МэВ кинетикалық энергияға ие болады. Сонымен, фрагменттердің жалпы кинетикалық энергиясы ≈ 167 МэВ. Бұл жағдайда жалпы бөліну энергиясы 200 МэВ. Осылайша, қалған энергия (33 МэВ) басқа бөліну өнімдері (нейтрондар, электрондар және фрагменттердің антинейтрино - - ыдырауы, фрагменттердің γ-сәулеленуі және олардың ыдырау өнімдері) арасында бөлінеді. Жылулық нейтрондармен 235 U бөліну кезінде әртүрлі өнімдер арасында бөліну энергиясының таралуы 7.2-кестеде келтірілген.

7.2-кесте

Бөліну энергиясының таралуы 235 U термиялық нейтрондар

Бөліну өнімдері (АЭС) 36 элементтен тұратын 200-ден астам радиоактивті изотоптардың күрделі қоспасы (мырыштан гадолинийге дейін). Белсенділіктің көп бөлігі қысқа мерзімді радионуклидтерден тұрады. Осылайша, жарылыстан кейін 7, 49 және 343 күннен кейін АЭС белсенділігі жарылыстан бір сағаттан кейінгі белсенділікпен салыстырғанда сәйкесінше 10, 100 және 1000 есеге төмендейді. Биологиялық маңызды радионуклидтердің шығымы 7.3-кестеде көрсетілген. АЭС-тен басқа радиоактивті ластануды индукцияланған активті радионуклидтер (3 H, 14 C, 28 Al, 24 Na, 56 Mn, 59 Fe, 60 Co және т.б.) және уран мен плутонийдің бөлінбеген бөлігі тудырады. Термоядролық жарылыстарда индукциялық белсенділіктің рөлі ерекше.

7.3-кесте

Ядролық жарылыс кезінде кейбір ыдырау өнімдерінің бөлінуі

Атмосферадағы ядролық жарылыстар кезінде жауын-шашынның едәуір бөлігі (жер үстіндегі жарылыстарда 50% дейін) сынақ аймағына жақын жерге түседі. Радиоактивті заттардың бір бөлігі атмосфераның төменгі бөлігінде сақталады және желдің әсерінен шамамен бірдей ендікте қала отырып, ұзақ қашықтыққа қозғалады. Бір айға жуық ауада бола отырып, бұл қозғалыс кезінде радиоактивті заттар біртіндеп Жерге түседі. Радионуклидтердің көпшілігі стратосфераға (10-15 км биіктікке дейін) шығарылады, онда олар дүние жүзінде шашыраңқы және негізінен ыдырайды.
Ядролық реакторлардың әртүрлі құрылымдық элементтері ондаған жылдар бойы жоғары белсенділікте болды (7.4-кесте).

7.4-кесте

Үш жыл жұмыс істегеннен кейін реактордан шығарылған отын элементтеріндегі негізгі ыдырау өнімдерінің үлестік белсенділік мәндері (Бк/т уран)

Ядролық бөліну - бұл үлкен энергияның бөлінуімен бірге ауыр атомның шамамен бірдей массалық екі фрагментке бөлінуі.

Ядролық бөлінудің ашылуы жаңа дәуірді – «атом дәуірін» бастады. Оны пайдаланудың ықтимал әлеуеті және оны пайдаланудан пайда мен тәуекелдің арақатынасы көптеген әлеуметтік, саяси, экономикалық және ғылыми жетістіктерді ғана емес, сонымен бірге күрделі мәселелерді де тудырды. Тіпті таза ғылыми тұрғыдан алғанда, ядролық ыдырау процесі көптеген басқатырғыштар мен асқынуларды тудырды және оны толық теориялық тұрғыдан түсіндіру болашақтың ісі.

Бөлісу пайдалы

Әртүрлі ядролар үшін байланыс энергиялары (бір нуклонға) әртүрлі. Ауырларының периодтық кестенің ортасында орналасқандарына қарағанда байланыс энергиясы аз.

Бұл атомдық нөмірі 100-ден асатын ауыр ядролардың екі кішірек фрагментке бөлінуі тиімді екенін білдіреді, осылайша фрагменттердің кинетикалық энергиясына айналатын энергияны босатады. Бұл процесс бөлу деп аталады

Тұрақты нуклидтер үшін протондар санының нейтрондар санына тәуелділігін көрсететін тұрақтылық қисығы бойынша ауыр ядролар жеңіліректерге қарағанда көбірек нейтрондарды (протондар санымен салыстырғанда) жақсы көреді. Бұл бөліну процесімен бірге кейбір «қосалқы» нейтрондар шығарылатынын болжайды. Сонымен қатар, олар босатылған энергияның бір бөлігін алады. Уран атомының бөлінуін зерттеу 3-4 нейтронның бөлінетінін көрсетті: 238 U → 145 La + 90 Br + 3n.

Фрагменттің атомдық нөмірі (және атомдық массасы) ата-ананың атомдық массасының жартысы емес. Бөліну нәтижесінде түзілген атомдардың массаларының арасындағы айырмашылық әдетте шамамен 50. Рас, мұның себебі әлі толық анықталған жоқ.

238 U, 145 La және 90 Br байланыс энергиялары сәйкесінше 1803, 1198 және 763 МэВ. Бұл осы реакция нәтижесінде уран ядросының бөліну энергиясы 1198 + 763-1803 = 158 МэВ-ке тең бөлінетінін білдіреді.

Спонтанды бөліну

Спонтанды бөліну процестері табиғатта белгілі, бірақ олар өте сирек кездеседі. Бұл процестің орташа өмір сүру ұзақтығы шамамен 10 17 жыл, және, мысалы, сол радионуклидтің альфа-ыдырауының орташа өмір сүру ұзақтығы шамамен 10 11 жыл.

Оның себебі, екі бөлікке бөліну үшін ядро ​​алдымен эллипсоид тәрізді деформациядан (созылудан) өтіп, соңында екі бөлікке бөлінбес бұрын ортасында «мойын» пайда болуы керек.

Потенциалды кедергі

Деформацияланған күйде ядроға екі күш әсер етеді. Олардың бірі - өскен беттік энергия (сұйық тамшысының беттік керілу оның сфералық пішінін түсіндіреді), екіншісі - бөліну фрагменттері арасындағы кулондық тебілу. Олар бірге әлеуетті кедергі жасайды.

Альфа-ыдырау жағдайындағыдай, уран атомының өздігінен ыдырауы үшін фрагменттер кванттық туннельдеу арқылы бұл кедергіні еңсеруі керек. Альфа-ыдырау жағдайындағыдай тосқауыл шамамен 6 МэВ құрайды, бірақ альфа-бөлшекті туннельдеу ықтималдығы әлдеқайда ауыр атомның бөліну өнімінен әлдеқайда көп.

Мәжбүрлеп бөлу

Уран ядросының индукциялық ыдырауы әлдеқайда ықтимал. Бұл жағдайда аналық ядро ​​нейтрондармен сәулеленеді. Егер ата-ана оны сіңірсе, онда олар байланыстырады, діріл энергиясы түріндегі байланыс энергиясын босатады, ол потенциалдық кедергіні жеңу үшін қажет 6 МэВ-тан асуы мүмкін.

Қосымша нейтронның энергиясы потенциалдық кедергіні жеңу үшін жеткіліксіз болған жағдайда, атомның бөлінуін индукциялау үшін түскен нейтронның минималды кинетикалық энергиясы болуы керек. 238 U жағдайында қосымша нейтрондардың байланыс энергиясы шамамен 1 МэВ қысқа. Бұл уран ядросының ыдырауын тек кинетикалық энергиясы 1 МэВ-тан жоғары нейтрон ғана индукциялайды дегенді білдіреді. Екінші жағынан, 235 U изотопында бір жұпталмаған нейтрон бар. Ядро қосымшаны жұтқанда онымен жұп түзеді және осы жұптасу нәтижесінде қосымша байланыс энергиясы пайда болады. Бұл ядроның потенциалды тосқауылдан өтуі үшін қажетті энергия мөлшерін босату үшін жеткілікті және изотоптың ыдырауы кез келген нейтронмен соқтығысқанда жүреді.

Бета ыдырауы

Бөліну реакциясы үш немесе төрт нейтрон шығарса да, фрагменттерде олардың тұрақты изобарларына қарағанда көп нейтрондар бар. Бұл бөліну фрагменттері бета ыдырауына қатысты әдетте тұрақсыз екенін білдіреді.

Мысалы, уран 238 U ядросының ыдырауы кезінде А = 145 болатын тұрақты изобар неодим 145 Nd болады, яғни 145 La лантан фрагменті үш кезеңде тұрақты күйге дейін электрон және антинейтрино шығаратын ыдырайды. нуклид түзіледі. Цирконий 90 Zr – A = 90 тұрақты изобар, сондықтан 90 Br бромының бөлінуінен алынған фрагмент β-ыдырау тізбегінің бес сатысында ыдырайды.

Бұл β-ыдырау тізбектері барлығы дерлік электрондар мен антинейтринолармен тасымалданатын қосымша энергияны шығарады.

Ядролық реакциялар: уран ядроларының бөлінуі

Ядроның тұрақтылығын қамтамасыз ету үшін олардың тым көп саны бар нуклидтен нейтронның тікелей эмиссиясы екіталай. Мұндағы мәселе кулондық тебілудің жоқтығында, сондықтан беттік энергия ата-анамен байланысты нейтронды ұстауға бейім. Дегенмен, бұл кейде орын алады. Мысалы, бірінші бета-ыдырау сатысында 90 Br бөліну фрагменті криптон-90 шығарады, ол беттік энергияны жеңу үшін жеткілікті энергиямен қуатталуы мүмкін. Бұл жағдайда нейтрондардың эмиссиясы криптон-89 түзілуімен тікелей болуы мүмкін. тұрақты иттрий-89-ға айналғанша β-ыдырауға қатысты әлі де тұрақсыз, сондықтан криптон-89 үш кезеңде ыдырайды.

Уран ядроларының бөлінуі: тізбекті реакция

Бөліну реакциясында шығарылатын нейтрондарды басқа негізгі ядро ​​жұтып алады, содан кейін ол индукцияланған бөлінуге ұшырайды. Уран-238 жағдайында пайда болатын үш нейтрон 1 МэВ-тан аз энергиямен шығады (уран ядросының ыдырауы кезінде бөлінетін энергия – 158 МэВ – негізінен бөліну фрагменттерінің кинетикалық энергиясына айналады), сондықтан олар бұл нуклидтің одан әрі бөлінуіне себеп бола алмайды. Осыған қарамастан, сирек кездесетін 235 U изотопының айтарлықтай концентрациясында бұл бос нейтрондарды 235 U ядролары ұстауы мүмкін, бұл шынымен де бөлінуді тудыруы мүмкін, өйткені бұл жағдайда бөліну индукцияланбайтын энергия шегі жоқ.

Бұл тізбекті реакцияның принципі.

Ядролық реакциялардың түрлері

Бұл тізбектің n сатысында бөлінетін материал үлгісінде түзілген нейтрондар саны n - 1 сатысында түзілген нейтрондар санына бөлінетіні k болсын. Бұл сан n - 1 сатысында өндірілген нейтрондардың қанша жұтылғанына байланысты болады. күштеп бөлінуі мүмкін ядро ​​арқылы.

Егер к< 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.

Егер k>1 болса, онда тізбекті реакция барлық бөлінетін материал пайдаланылғанға дейін өседі.Бұл уран-235 жеткілікті жоғары концентрациясын алу үшін табиғи кенді байыту арқылы қол жеткізіледі. Сфералық үлгі үшін k шамасы сфераның радиусына тәуелді нейтронды жұту ықтималдығының жоғарылауымен өседі. Сондықтан уран ядроларының ыдырауы (тізбекті реакция) болуы үшін U массасы белгілі бір мөлшерден асуы керек.

Егер k = 1 болса, онда басқарылатын реакция жүреді. Бұл нейтрондардың көп бөлігін сіңіретін уранның арасында кадмий немесе бор таяқшаларының бөлінуімен бақыланатын процессте қолданылады (бұл элементтердің нейтрондарды ұстау мүмкіндігі бар). Уран ядросының бөлінуі таяқшаларды жылжыту арқылы автоматты түрде басқарылады, осылайша k мәні бірлікке тең болады.

Уран ядроларының бөлінуі жүреді келесідей:біріншіден, нейтрон алмаға тиген оқ сияқты ядроға түседі. Алма болса, оқ оны тесетін немесе оны жарып жіберетін еді. Нейтрон ядроға тиген кезде оны ядролық күштер басып алады. Нейтрон бейтарап екені белгілі, сондықтан ол электростатикалық күштермен итерілмейді.

Уранның бөлінуі қалай жүреді

Сонымен, ядроның құрамына енген нейтрон тепе-теңдікті бұзады, ал ядро ​​қозды. Ол гантель немесе «шексіздік» белгісі сияқты екі жаққа созылады: ∞ ... Ядролық күштер, өздеріңіз білетіндей, бөлшектердің мөлшеріне сәйкес қашықтықта әрекет етеді. Өзек созылған кезде, ядролық күштердің әрекеті «гантельдің» экстремалды бөлшектері үшін елеусіз болады, ал электрлік күштер мұндай қашықтықта өте күшті әсер етеді және ядро ​​жай ғана екі бөлікке бөлінеді. Бұл жағдайда екі немесе үш нейтрон әлі де шығарылады.

Ядроның фрагменттері мен бөлінген нейтрондар әртүрлі бағытта үлкен жылдамдықпен шашырап кетеді. Фрагменттерді қоршаған орта тез тежейді, бірақ олардың кинетикалық энергиясы орасан зор. Ол қоршаған ортаның ішкі энергиясына айналады, ол қызады. Сонымен бірге бөлінетін энергияның мөлшері өте көп. Бір грамм уранның толық бөлінуінен алынатын энергия шамамен 2,5 тонна мұнайды жағудан алынатын энергияға тең.

Бірнеше ядролардың бөліну тізбекті реакциясы

Біз бір уран ядросының бөлінуін қарастырдық. Бөліну бірнеше (көбінесе екі немесе үш) нейтрондарды бөлді. Олар бір-бірінен үлкен жылдамдықпен ұшып кетеді және басқа атомдардың ядроларына оңай еніп, оларда бөліну реакциясын тудырады. Бұл тізбекті реакция.

Яғни, ядролық бөліну нәтижесінде алынған нейтрондар басқа ядроларды қоздырады және бөлінуге мәжбүрлейді, олар өз кезегінде нейтрондарды шығарады, олар одан әрі бөлінуді ынталандырады. Тікелей жақын жердегі барлық уран ядроларының ыдырауы болғанша осылай жалғасады.

Бұл жағдайда тізбекті реакция пайда болуы мүмкін көшкін, мысалы, атом бомбасының жарылысы жағдайында. Ядролық бөлінулердің саны қысқа уақыт ішінде экспоненциалды түрде артады. Дегенмен, тізбекті реакция пайда болуы мүмкін және жоғалуымен.

Өйткені, барлық нейтрондар өз жолында ядролармен кездесе бермейді, олар ыдырауды тудырады. Біздің есімізде, заттың ішінде негізгі көлемді бөлшектер арасындағы бос орын алады. Сондықтан кейбір нейтрондар жол бойында ешнәрсемен соқтығыспай барлық заттар арқылы ұшып өтеді. Ал егер уақыт өте келе ядроның бөліну саны азайса, онда реакция бірте-бірте сөнеді.

Ядролық реакциялар және уранның критикалық массасы

Реакция түрін не анықтайды?Уран массасынан. Массасы неғұрлым көп болса, ұшатын нейтрон өз жолында соғұрлым көп бөлшектерді кездестіреді және ядроға түсу мүмкіндігі жоғары болады. Сондықтан уранның «критикалық массасы» ерекшеленеді - бұл тізбекті реакция мүмкін болатын ең аз масса.

Өндірілген нейтрондардың саны сыртқа шыққан нейтрондардың санына тең болады. Ал реакция заттың бүкіл көлемі таусылғанша шамамен бірдей жылдамдықпен жүреді. Бұл атом электр станцияларында тәжірибеде қолданылады және басқарылатын ядролық реакция деп аталады.

Ядроның бөлінуі кезінде энергияның бөлінуі.Басқа ядролық реакциялардағы сияқты, бөліну кезінде бөлінетін энергия өзара әрекеттесетін бөлшектер мен соңғы өнімдердің массаларының айырмашылығына тең. Урандағы нуклонның байланыс энергиясы уранның ыдырауы кезіндегі бір нуклонның фрагменттегі байланыс энергиясы болғандықтан, энергия бөлінуі керек.

Сонымен, ядроның ыдырауы кезінде энергияның үлкен мөлшері бөлінеді, оның басым бөлігі бөліну фрагменттерінің кинетикалық энергиясы түрінде бөлінеді.

Бөліну өнімдерінің жаппай таралуы.Көп жағдайда уран ядросы асимметриялы түрде бөлінеді. Екі ядролық фрагменттің сәйкесінше әртүрлі жылдамдықтары мен әртүрлі массалары бар.

Массалары бойынша фрагменттер екі топқа бөлінеді; бірі криптонға жақын, екіншісі ксенонға жақын Фрагменттердің массалары бір-бірімен орташа есеппен байланысты.

Бөліну өнімінің кірістілік қисығы нүкте арқылы өтетін тік түзу сызыққа қатысты симметриялы.Максимумдардың айтарлықтай ені бөліну жолдарының әртүрлілігін көрсетеді.

Күріш. 82. Уранның ыдырау өнімдерінің массалар бойынша таралуы

Жоғарыда аталған сипаттамалар негізінен термиялық нейтрондардың бөлінуіне қатысты; энергиясы аз немесе одан да көп нейтрондардың әсерінен бөліну жағдайында ядро ​​массасы симметриялырақ екі фрагментке ыдырайды.

Бөліну өнімдерінің қасиеттері.Уран атомы ыдырағанда, қабықтың өте көп электрондары жойылады, ал бөліну фрагменттері шамамен көбейтілген иондалған оң иондар болып табылады, олар зат арқылы өткенде атомдарды күшті иондайды. Сондықтан ауадағы фрагменттердің жолдары кішкентай және 2 см-ге жақын.

Бөліну кезінде пайда болған фрагменттердің нейтрондарды шығаруға бейім, радиоактивті болуы керек екенін анықтау оңай. Шынында да, тұрақты ядроларда нейтрондар мен протондар санының қатынасы А-ға байланысты келесідей өзгереді:

(сканерлеуді қараңыз)

Бөлінетін ядролар кестенің ортасында жатыр, сондықтан олардың тұрақтылығы үшін қолайлы нейтрондар көп. Оларды артық нейтрондардан ыдырау арқылы да, нейтрондарды тікелей шығару арқылы да босатуға болады.

Кешіктірілген нейтрондар.Бөлінудің ықтимал нұсқаларының бірінде радиоактивті бром түзіледі. күріште. 83 оның ыдырау схемасын көрсетеді, оның соңында тұрақты изотоптар орналасқан

Бұл тізбектің қызықты ерекшелігі: криптон қосымша нейтроннан не -ыдырауға байланысты немесе нейтронның тікелей эмиссиясының әсерінен қозғалған күйде пайда болса, босатылуы мүмкін. Бұл нейтрондар бөлінуден кейін 56 секундтан кейін пайда болады (қозған күйге өтуге қатысты өмір сүру ұзақтығы, бірақ оның өзі нейтрондарды бірден дерлік шығарады.

Күріш. 83. Уранның ыдырауы кезінде қозғалған күйде түзілген радиоактивті бромның ыдырау схемасы.

Олар кешіктірілген нейтрондар деп аталады. Уақыт өте келе кешіктірілген нейтрондардың қарқындылығы кәдімгі радиоактивті ыдыраудағы сияқты экспоненциалды түрде ыдырайды.

Бұл нейтрондардың энергиясы ядроның қозу энергиясына тең. Бөліну кезінде шығарылатын барлық нейтрондардың тек 0,75%-ын құраса да, кешіктірілген нейтрондар тізбекті реакцияда маңызды рөл атқарады.

Лездік нейтрондар.Нейтрондардың 99%-дан астамы өте қысқа уақыт ішінде шығарылады; олар жедел нейтрондар деп аталады.

Бөліну процесін зерттегенде іргелі сұрақ туындайды, бір бөліну әрекетінде қанша нейтрон түзіледі; бұл сұрақ маңызды, өйткені олардың саны орта есеппен көп болса, оларды кейінгі ядролардың ыдырауы үшін пайдалануға болады, яғни тізбекті реакцияны құру мүмкіндігі туындайды. Жоғарыда аталған мәселенің шешімі 1939-1940 ж.ж. әлемдегі ең ірі ядролық зертханалардың барлығында дерлік жұмыс істеді.

Ядролардың бөлінуі арқылымассасы жақын бір атом ядросынан 2 (кейде 3) фрагменттік ядро ​​түзілетін процесс деп аталады.

Бұл процесс барлығына пайдалы. β -массалық саны A>100 тұрақты ядролар.

Уран ядроларының бөлінуі 1939 жылы Хан мен Штрасман ашты, олар уран ядроларының нейтрондармен бомбаланғанын біржақты дәлелдеді. Урадиоактивті ядролар уран ядросының массасы мен зарядының жартысына жуығы болатын массалар мен зарядтардан тұрады. Сол жылы Л.Мейтнер мен О.Фришер «терминін енгізді. ядролық бөліну«Және бұл процесс орасан зор энергия бөлетіні атап өтілді және Ф.Джолио-Кюри мен Э.Ферми бір уақытта бөліну бірнеше нейтрондар шығаратынын анықтады. (бөлу нейтрондары)... Бұл идеяның алға шығуына негіз болды. бөлінудің өздігінен жүретін тізбекті реакциясыжәне энергия көзі ретінде ядролық ыдырауды пайдалану. Ядролық ыдырау қазіргі атом энергетикасының негізі болып табылады 235 Ужәне 239 Пунейтрондардың әсерінен.

Ядроның бөлінуі ауыр ядроның тыныштық массасы бөліну процесінде пайда болатын фрагменттердің тыныштық массаларының қосындысынан үлкен болып шығуына байланысты болуы мүмкін.

График бұл процестің энергетикалық тұрғыдан пайдалы болып шығатынын көрсетеді.

Ядроның бөліну механизмін тамшылар моделі негізінде түсіндіруге болады, оған сәйкес нуклондар шоғыры зарядталған сұйықтық тамшысына ұқсайды. Ядроны ыдыраудан ядролық тартылыс күштері сақтайды, олар протондар арасында әрекет ететін және ядроны жарып жіберуге бейім кулондық тебілу күштерінен жоғары.

Негізгі 235 Ушар тәрізді пішінге ие. Нейтронды сіңіргеннен кейін ол қозғалады және деформацияланады, ұзартылған пішінге ие болады (суретте). б) және ұзартылған ядроның жартысы арасындағы тебілу күштері иіске әсер ететін тартылыс күштерінен үлкен болғанша созылады (суретте). v). Осыдан кейін өзек екі бөлікке бөлінеді (суретте Г). Кулондық итеруші күштердің әсерінен фрагменттер жарық жылдамдығының 1/30 бөлігіне тең жылдамдықпен таралады.

Бөліну кезінде нейтрондардың эмиссиясы, біз жоғарыда айтқан , ядродағы нейтрондардың салыстырмалы санының (протондар санына қатысты) атомдық санының ұлғаюымен, ал бөліну кезінде пайда болған фрагменттерде нейтрондар санының көбеюімен түсіндіріледі. саны азырақ атомдар ядролары үшін мүмкін.

Бөліну көбінесе массасы бірдей емес фрагменттерге айналады. Бұл фрагменттер радиоактивті. Сериалдан кейін β -ыдырау, нәтижесінде тұрақты иондар түзіледі.

қоспағанда мәжбүрлі, болады уран ядроларының өздігінен ыдырауы, оны 1940 жылы кеңес физиктері Г.Н.Флеров пен К.А.Петржак ашқан. Спонтанды бөлінудің жартылай шығарылу кезеңі 10 16 жыл, бұл жартылай шығарылу кезеңінен 2 миллион есе көп. α - уранның ыдырауы.

Ядролардың қосылуы термоядролық реакцияларда жүреді. Біріктіру реакциялары- Бұл өте жоғары температурада жеңіл ядролардың қосылу реакциялары. Біріктіру (синтез) кезінде бөлінетін энергия ең аз байланыс энергиясы бар жеңіл элементтердің синтезі кезінде максималды болады. Екі жеңіл ядролар, мысалы, дейтерий және тритий біріккенде, байланысу энергиясы жоғары ауырырақ гелий ядросы түзіледі:

Ядролық синтездің мұндай процесі кезінде ауыр ядро ​​мен екі жеңіл ядроның байланыс энергияларының айырмашылығына тең маңызды энергия бөлінеді (17,6 МэВ). ... Реакциялар кезінде пайда болған нейтрон осы энергияның 70% алады. Ядролық бөліну (0,9 МэВ) және синтез (17,6 МэВ) реакцияларындағы бір нуклонға келетін энергияны салыстыру жеңіл ядролардың синтез реакциясы ауыр ядролардың бөліну реакциясына қарағанда энергетикалық жағынан қолайлырақ екенін көрсетеді.

Ядролардың қосылуы ядролық тартылыс күштерінің әсерінен жүреді, сондықтан олар ядролық күштер әрекет ететін 10 -14-тен аз қашықтыққа жақындауы керек. Бұл жақындасуға оң зарядталған ядролардың кулондық тебілуі кедергі жасайды. Оны тек ядролардың кулондық тебілу энергиясынан асатын жоғары кинетикалық энергиясының арқасында ғана жеңуге болады. Сәйкес есептеулерден синтез реакциясы үшін қажетті ядролардың кинетикалық энергиясын жүздеген миллион градус температурада алуға болатынын көруге болады, сондықтан бұл реакциялар деп аталады. термоядролық.

Термоядролық синтез- 10 7 К жоғары температурада жеңіл ядролардан ауыр ядролар синтезделетін реакция.

Термоядролық синтез барлық жұлдыздар, соның ішінде Күн үшін энергия көзі болып табылады.

Жұлдыздардағы термоядролық энергияның бөлінуінің негізгі процесі сутектің гелийге айналуы болып табылады. Бұл реакциядағы массалық ақауға байланысты Күннің массасы секунд сайын 4 миллион тоннаға азаяды.

Термоядролық синтез үшін қажет үлкен кинетикалық энергияны сутегі ядролары жұлдыздың центріне күшті тартылыс күші нәтижесінде алады. Осыдан кейін гелий ядролары біріктірілгенде, ауыр элементтер де пайда болады.

Термоядролық реакциялар Әлемдегі заттың химиялық құрамының эволюциясында негізгі рөлдердің бірін атқарады. Бұл реакциялардың барлығы миллиардтаған жылдар бойы жұлдыздар жарық түрінде шығаратын энергияның бөлінуімен жүреді.

Басқарылатын термоядролық синтезді жүзеге асыру адамзатты жаңа, іс жүзінде сарқылмайтын энергия көзімен қамтамасыз етер еді. Оны жүзеге асыру үшін қажетті дейтерий де, тритий де оңай қол жетімді. Біріншісі теңіздер мен мұхиттардың суында (миллион жыл пайдалану үшін жеткілікті мөлшерде) бар, екіншісін ядролық реакторда сұйық литийді (қоры өте үлкен) нейтрондармен сәулелендіру арқылы алуға болады:

Басқарылатын термоядролық синтездің маңызды артықшылықтарының бірі оны жүзеге асыру кезінде радиоактивті қалдықтардың болмауы (ауыр уран ядроларының бөліну реакцияларынан айырмашылығы).

Басқарылатын термоядролық синтезді жүзеге асырудың негізгі кедергісі 0,1-1 үшін күшті магнит өрістерін пайдалана отырып, жоғары температуралы плазманы ұстаудың мүмкін еместігі болып табылады. Дегенмен, ерте ме, кеш пе термоядролық реакторлар құрылады деген сенім бар.

Әзірге оны өндіру ғана мүмкін болды бақыланбайтын реакциясутегі бомбасында жарылғыш типті біріктіру.