Fission at pagsasanib ng nuclei. Ang pinagmulan ng fission energy ng heavy nuclei Ano ang tumutukoy sa fission ng uranium atom

Ang enerhiya na inilabas sa panahon ng fission ay tumataas sa pagtaas ng Z 2 / A. Z 2 / A = 17 para sa 89 Y (yttrium). Yung. Ang fission ay masigasig na pabor para sa lahat ng nuclei na mas mabigat kaysa sa yttrium. Bakit ang karamihan ng nuclei ay lumalaban sa spontaneous fission? Upang masagot ang tanong na ito, kinakailangang isaalang-alang ang mekanismo ng fission.

Sa proseso ng fission, nagbabago ang hugis ng nucleus. Ang nucleus ay sunud-sunod na dumaan sa mga sumusunod na yugto (Larawan 7.1): isang bola, isang ellipsoid, isang dumbbell, dalawang fragment na hugis peras, dalawang spherical na fragment. Paano nagbabago ang potensyal na enerhiya ng nucleus sa iba't ibang yugto ng fission?
Paunang core na may magnification r tumatagal ang anyo ng isang lalong pinahabang ellipsoid ng rebolusyon. Sa kasong ito, dahil sa ebolusyon ng hugis ng nucleus, ang pagbabago sa potensyal na enerhiya nito ay natutukoy sa pamamagitan ng pagbabago sa kabuuan ng ibabaw at Coulomb energies E n + E k. Ang enerhiya sa ibabaw sa kasong ito ay tumataas, dahil tumataas ang surface area ng nucleus. Bumababa ang enerhiya ng Coulomb habang tumataas ang average na distansya sa pagitan ng mga proton. Kung, na may hindi gaanong pagpapapangit na nailalarawan sa pamamagitan ng isang maliit na parameter, ang paunang nucleus ay tumatagal sa anyo ng isang axially symmetric ellipsoid, ang enerhiya sa ibabaw E "n at ang Coulomb energy E" bilang isang function ng pagbabago ng parameter ng pagpapapangit tulad ng sumusunod:

Sa mga relasyon (7.4–7.5) E n at E k - ibabaw at Coulomb na enerhiya ng paunang spherically symmetric nucleus.
Sa rehiyon ng mabigat na nuclei 2E n> E k at ang kabuuan ng ibabaw at Coulomb energies ay tumataas sa pagtaas. Mula sa (7.4) at (7.5) ito ay sumusunod na sa maliliit na deformation, ang pagtaas ng enerhiya sa ibabaw ay pumipigil sa karagdagang pagbabago sa hugis ng nucleus, at, dahil dito, fission.
Ang kaugnayan (7.5) ay may bisa para sa maliliit na deformation. Kung ang pagpapapangit ay napakalaki na ang nucleus ay may hugis ng isang dumbbell, kung gayon ang ibabaw at mga puwersa ng Coulomb ay may posibilidad na paghiwalayin ang nucleus at bigyan ang mga fragment ng isang spherical na hugis. Kaya, na may unti-unting pagtaas sa pagpapapangit ng nucleus, ang potensyal na enerhiya nito ay dumadaan sa maximum. Ang graph ng mga pagbabago sa ibabaw at Coulomb energies ng nucleus bilang isang function ng r ay ipinapakita sa Fig. 7.2.

Ang pagkakaroon ng isang potensyal na hadlang ay pumipigil sa biglaang kusang nuclear fission. Upang mahati ang nucleus, dapat itong bigyan ng enerhiyang Q na lumalampas sa taas ng fission barrier H. Ang maximum na potensyal na enerhiya ng fissioning nucleus E + H (halimbawa, ginto) sa dalawang magkaparehong fragment ay ≈ 173 MeV, at ang halaga ng enerhiya na inilabas sa panahon ng fission ay 132 MeV ... Kaya, kapag nag-fission ng isang gintong nucleus, kinakailangan upang mapagtagumpayan ang isang potensyal na hadlang na may taas na humigit-kumulang 40 MeV.
Ang taas ng fission barrier H ay mas malaki, mas mababa ang ratio ng Coulomb at surface energies E sa / E n sa paunang nucleus. Ang ratio na ito, sa turn, ay tumataas sa pagtaas ng fission parameter Z 2 / A (7.3). Ang mas mabigat na nucleus, mas mababa ang taas ng fission barrier H, dahil ang fission parameter, sa pag-aakalang Z ay proporsyonal sa A, ay tumataas sa pagtaas ng mass number:

Samakatuwid, ang mas mabibigat na nuclei, bilang panuntunan, ay kailangang bigyan ng mas kaunting enerhiya upang maging sanhi ng nuclear fission.
Ang taas ng fission barrier ay naglalaho sa 2E n - E k = 0 (7.5). Sa kasong ito

2E p / E k = 2 (a 2 A) / (a ​​​​3 Z 2),

Z 2 / A = 2a 2 / (a ​​​​3 Z 2) ≈ 49.

Kaya, ayon sa modelo ng droplet, ang nuclei na may Z 2 / A> 49 ay hindi maaaring umiral sa kalikasan, dahil dapat silang kusang nahati sa dalawang fragment sa isang katangiang nuklear na oras ng pagkakasunud-sunod ng 10 –22 s halos kaagad. Ang mga dependences ng hugis at taas ng potensyal na hadlang H, pati na rin ang fission energy sa halaga ng parameter Z 2 / A ay ipinapakita sa Fig. 7.3.

kanin. 7.3. Radial dependence ng hugis at taas ng potensyal na hadlang at ang fission energy E para sa iba't ibang mga halaga ng parameter Z 2 / A. Ang halaga ng E p + E k ay naka-plot sa vertical axis.

Kusang fission ng nuclei na may 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 taon para sa 232 Th hanggang 0.3 s para sa 260 Rf.
Sapilitang fission ng nuclei na may 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.
Ang pinakamababang halaga ng enerhiya ng paggulo ng isang tambalang nucleus E * na nabuo sa panahon ng pagkuha ng isang neutron ay katumbas ng nagbubuklod na enerhiya ng isang neutron sa nucleus na ito ε n. Inihahambing ng talahanayan 7.1 ang taas ng hadlang H at ang enerhiya na nagbubuklod ng neutron ε n para sa mga isotopes na Th, U, Pu, na nabuo pagkatapos ng pagkuha ng neutron. Ang nagbubuklod na enerhiya ng isang neutron ay nakasalalay sa bilang ng mga neutron sa nucleus. Dahil sa enerhiya ng pagpapares, ang nagbubuklod na enerhiya ng kahit na neutron ay mas malaki kaysa sa nagbubuklod na enerhiya ng isang kakaibang neutron.

Talahanayan 7.1

Fission barrier taas H, neutron binding energy ε n

Ang isang katangian ng fission ay ang mga fragment ay karaniwang may iba't ibang masa. Sa kaso ng pinaka-malamang na fission na 235 U, ang fragment mass ratio ay, sa karaniwan, ~ 1.5. Ang pamamahagi ng masa ng mga fragment mula sa fission ng 235 U ng mga thermal neutron ay ipinapakita sa Fig. 7.4. Para sa pinaka-malamang na fission, ang isang mabigat na fragment ay may mass number na 139, isang magaan na isa - 95. Kabilang sa mga produkto ng fission mayroong mga fragment na may A = 72 - 161 at Z = 30 - 65. Ang posibilidad ng fission sa dalawang fragment ng ang pantay na masa ay hindi sero. Sa fission ng 235 U ng mga thermal neutron, ang posibilidad ng simetriko na fission ay humigit-kumulang tatlong order ng magnitude na mas mababa kaysa sa kaso ng pinaka-malamang na fission sa mga fragment na may A = 139 at 95.
Ang asymmetric fission ay ipinaliwanag ng istraktura ng shell ng nucleus. Ang nucleus ay may posibilidad na hatiin sa paraang ang pangunahing bahagi ng mga nucleon ng bawat fragment ay bumubuo ng pinaka-matatag na magic skeleton.
Ang ratio ng bilang ng mga neutron sa bilang ng mga proton sa 235 nucleus ay U N / Z = 1.55, habang para sa mga matatag na isotopes na may mass number na malapit sa mass number ng mga fragment, ang ratio na ito ay 1.25 - 1.45. Dahil dito, ang mga fragment ng fission ay lumalabas na labis na napuno ng mga neutron at dapat
β - radioactive. Samakatuwid, ang mga fission fragment ay sumasailalim sa sunud-sunod na β - decays, at ang singil ng pangunahing fragment ay maaaring mag-iba ng 4 - 6 na yunit. Nasa ibaba ang isang tipikal na chain ng radioactive decay na 97 Kr, isa sa mga fragment na nabuo sa panahon ng fission ng 235 U:

Ang paggulo ng mga fragment na dulot ng paglabag sa ratio ng bilang ng mga proton at neutron, na katangian ng stable nuclei, ay inalis din dahil sa paglabas ng prompt fission neutrons. Ang mga neutron na ito ay ibinubuga sa pamamagitan ng paglipat ng mga fragment sa isang oras na mas mababa sa ~ 10 -14 s. Sa karaniwan, 2 - 3 prompt neutron ang ibinubuga sa bawat fission act. Ang kanilang spectrum ng enerhiya ay tuloy-tuloy na may maximum na humigit-kumulang 1 MeV. Ang average na prompt neutron energy ay malapit sa 2 MeV. Ang paglabas ng higit sa isang neutron sa bawat fission event ay ginagawang posible na makakuha ng enerhiya sa pamamagitan ng nuclear fission chain reaction.
Sa pinakamalamang na fission na 235 U ng mga thermal neutron, ang isang light fragment (A = 95) ay nakakakuha ng kinetic energy na ≈ 100 MeV, at isang mabigat (A = 139) - mga 67 MeV. Kaya, ang kabuuang kinetic energy ng mga fragment ay ≈ 167 MeV. Ang kabuuang fission energy sa kasong ito ay 200 MeV. Kaya, ang natitirang enerhiya (33 MeV) ay ipinamamahagi sa pagitan ng iba pang mga produkto ng fission (neutrons, electron at antineutrino ng β - -decay ng mga fragment, γ-radiation ng mga fragment at ang kanilang mga produkto ng pagkabulok). Ang pamamahagi ng enerhiya ng fission sa pagitan ng iba't ibang mga produkto sa panahon ng fission ng 235 U ng mga thermal neutron ay ibinibigay sa Talahanayan 7.2.

Talahanayan 7.2

Pamamahagi ng enerhiya ng fission 235 U thermal neutrons

Ang mga fission products (NPPs) ay isang kumplikadong pinaghalong higit sa 200 radioactive isotopes ng 36 na elemento (mula sa zinc hanggang gadolinium). Karamihan sa aktibidad ay binubuo ng panandaliang radionuclides. Kaya, 7, 49 at 343 araw pagkatapos ng pagsabog, ang aktibidad ng NPP ay bumababa ng 10, 100, at 1000 beses, ayon sa pagkakabanggit, kumpara sa aktibidad isang oras pagkatapos ng pagsabog. Ang ani ng pinakabiologically makabuluhang radionuclides ay ipinapakita sa Talahanayan 7.3. Bilang karagdagan sa NPP, ang radioactive contamination ay sanhi ng radionuclides ng sapilitan na aktibidad (3 H, 14 C, 28 Al, 24 Na, 56 Mn, 59 Fe, 60 Co, atbp.) at ang hindi pinaghihiwalay na bahagi ng uranium at plutonium. Ang papel na ginagampanan ng sapilitan aktibidad sa thermonuclear pagsabog ay lalo na mahusay.

Talahanayan 7.3

Ang pagpapalabas ng ilang produkto ng fission sa isang nuclear explosion

Sa panahon ng mga pagsabog ng nuklear sa atmospera, isang makabuluhang bahagi ng pag-ulan (sa mga pagsabog na nakabase sa lupa hanggang sa 50%) ay bumabagsak malapit sa lugar ng pagsubok. Ang ilan sa mga radioactive substance ay pinananatili sa ibabang bahagi ng atmospera at, sa ilalim ng impluwensya ng hangin, gumagalaw sa malalayong distansya, na natitira sa humigit-kumulang sa parehong latitude. Ang pagiging nasa hangin sa loob ng halos isang buwan, ang mga radioactive substance sa panahon ng paggalaw na ito ay unti-unting nahuhulog sa Earth. Karamihan sa mga radionuclides ay ibinubuga sa stratosphere (sa taas na 10-15 km), kung saan ang mga ito ay nakakalat sa buong mundo at higit na nabubulok.
Ang iba't ibang mga elemento ng istruktura ng mga nuclear reactor ay naging aktibo sa loob ng mga dekada (Talahanayan 7.4)

Talahanayan 7.4

Mga tiyak na halaga ng aktibidad (Bq / t ng uranium) ng mga pangunahing produkto ng fission sa mga elemento ng gasolina na inalis mula sa reaktor pagkatapos ng tatlong taon ng operasyon

Ang nuclear fission ay ang paghahati ng isang mabigat na atom sa dalawang fragment ng humigit-kumulang pantay na masa, na sinamahan ng paglabas ng isang malaking halaga ng enerhiya.

Ang pagtuklas ng nuclear fission ay nagsimula ng isang bagong panahon - ang "atomic age". Ang potensyal para sa posibleng paggamit nito at ang ratio ng panganib upang makinabang mula sa paggamit nito ay hindi lamang nakabuo ng maraming sosyolohikal, pampulitika, pang-ekonomiya at pang-agham na pagsulong, kundi pati na rin ang mga seryosong problema. Kahit na mula sa isang purong pang-agham na pananaw, ang proseso ng nuclear fission ay lumikha ng maraming mga palaisipan at komplikasyon, at ang buong teoretikal na paliwanag nito ay isang bagay sa hinaharap.

Ang pagbabahagi ay kumikita

Ang mga nagbubuklod na enerhiya (bawat nucleon) para sa iba't ibang nuclei ay naiiba. Ang mas mabibigat ay may mas kaunting enerhiyang nagbubuklod kaysa sa mga nasa gitna ng periodic table.

Nangangahulugan ito na kapaki-pakinabang para sa mabibigat na nuclei na may atomic na numero na higit sa 100 na hatiin sa dalawang mas maliliit na fragment, sa gayon ay naglalabas ng enerhiya, na na-convert sa kinetic energy ng mga fragment. Ang prosesong ito ay tinatawag na paghahati

Ayon sa curve ng katatagan, na nagpapakita ng pag-asa ng bilang ng mga proton sa bilang ng mga neutron para sa mga matatag na nuclides, mas gusto ng mas mabibigat na nuclei ang mas maraming neutron (kumpara sa bilang ng mga proton) kaysa sa mas magaan. Iminumungkahi nito na kasama ng proseso ng fission, ang ilang "mga ekstrang" neutron ay ilalabas. Bilang karagdagan, kukuha din sila ng ilan sa inilabas na enerhiya. Ang pag-aaral ng fission ng uranium atom ay nagpakita na 3-4 na neutron ang pinakawalan: 238 U → 145 La + 90 Br + 3n.

Ang atomic number ng fragment (at atomic mass) ay hindi kalahati ng atomic mass ng magulang. Ang pagkakaiba sa pagitan ng mga masa ng mga atom na nabuo bilang isang resulta ng paghahati ay karaniwang mga 50. Totoo, ang dahilan para dito ay hindi pa ganap na nauunawaan.

Ang mga nagbubuklod na enerhiya ng 238 U, 145 La, at 90 Br ay 1803, 1198, at 763 MeV, ayon sa pagkakabanggit. Nangangahulugan ito na bilang isang resulta ng reaksyong ito, ang enerhiya ng fission ng uranium nucleus ay inilabas, katumbas ng 1198 + 763-1803 = 158 MeV.

Kusang paghahati

Ang mga kusang proseso ng cleavage ay kilala sa kalikasan, ngunit ang mga ito ay napakabihirang. Ang average na buhay ng prosesong ito ay humigit-kumulang 10 17 taon, at, halimbawa, ang average na buhay ng alpha decay ng parehong radionuclide ay mga 10 11 taon.

Ang dahilan nito ay upang mahati sa dalawang bahagi, ang nucleus ay dapat munang sumailalim sa pagpapapangit (kahabaan) sa isang hugis na ellipsoidal, at pagkatapos, bago tuluyang mahati sa dalawang fragment, bumuo ng isang "leeg" sa gitna.

Potensyal na hadlang

Sa isang deformed state, dalawang pwersa ang kumikilos sa nucleus. Ang isa sa mga ito ay ang tumaas na enerhiya sa ibabaw (ang pag-igting sa ibabaw ng isang likidong patak ay nagpapaliwanag ng spherical na hugis nito), at ang isa pa ay ang Coulomb repulsion sa pagitan ng mga fission fragment. Magkasama silang lumikha ng isang potensyal na hadlang.

Tulad ng kaso ng alpha decay, para mangyari ang spontaneous fission ng uranium atom, dapat malampasan ng mga fragment ang hadlang na ito gamit ang quantum tunneling. Ang hadlang ay humigit-kumulang 6 MeV, tulad ng sa kaso ng alpha decay, ngunit ang posibilidad ng pag-tunnel ng isang alpha particle ay mas malaki kaysa sa mas mabigat na atom fission na produkto.

Sapilitang paghahati

Ang sapilitan na fission ng uranium nucleus ay mas malamang. Sa kasong ito, ang nucleus ng ina ay na-irradiated ng mga neutron. Kung ang magulang ay sumisipsip nito, pagkatapos ay nagbubuklod sila, na naglalabas ng nagbubuklod na enerhiya sa anyo ng vibrational energy, na maaaring lumampas sa 6 MeV na kinakailangan upang madaig ang potensyal na hadlang.

Kung ang enerhiya ng karagdagang neutron ay hindi sapat upang mapagtagumpayan ang potensyal na hadlang, ang insidente na neutron ay dapat magkaroon ng isang minimum na kinetic energy upang magawang mapukaw ang paghahati ng atom. Sa kaso ng 238 U, ang nagbubuklod na enerhiya ng mga karagdagang neutron ay halos 1 MeV na maikli. Nangangahulugan ito na ang fission ng isang uranium nucleus ay na-induce lamang ng isang neutron na may kinetic energy na higit sa 1 MeV. Sa kabilang banda, ang 235 U isotope ay may isang hindi pares na neutron. Kapag ang nucleus ay sumisipsip ng karagdagang isa, ito ay bumubuo ng isang pares kasama nito, at bilang resulta ng pagpapares na ito, ang karagdagang nagbubuklod na enerhiya ay lilitaw. Ito ay sapat na upang palabasin ang dami ng enerhiya na kinakailangan para sa nucleus upang mapagtagumpayan ang potensyal na hadlang at ang fission ng isotope ay nangyayari sa pagbangga sa anumang neutron.

Beta decay

Kahit na ang reaksyon ng fission ay naglalabas ng tatlo o apat na neutron, ang mga fragment ay naglalaman pa rin ng mas maraming neutron kaysa sa kanilang mga matatag na isobar. Nangangahulugan ito na ang mga cleavage fragment ay karaniwang hindi matatag kaugnay ng beta decay.

Halimbawa, kapag nangyari ang fission ng uranium 238 U nucleus, ang stable isobar na may А = 145 ay neodymium 145 Nd, na nangangahulugan na ang lanthanum fragment 145 La ay nabubulok sa tatlong yugto, sa bawat oras na naglalabas ng isang electron at antineutrino, hanggang sa isang matatag. nabuo ang nuclide. Ang Zirconium 90 Zr ay isang matatag na isobar na may A = 90; samakatuwid, ang isang fragment mula sa cleavage ng bromine 90 Br ay nabubulok sa limang yugto ng β-decay chain.

Ang mga β-decay chain na ito ay naglalabas ng karagdagang enerhiya, na halos lahat ay dinadala ng mga electron at antineutrino.

Mga reaksyong nuklear: fission ng uranium nuclei

Direktang pagpapalabas ng isang neutron mula sa isang nuclide na may napakaraming mga ito upang matiyak na ang katatagan ng nucleus ay hindi malamang. Ang punto dito ay walang Coulomb repulsion, at samakatuwid ang enerhiya sa ibabaw ay may posibilidad na mapanatili ang neutron na may kaugnayan sa magulang. Gayunpaman, kung minsan ito ay nangyayari. Halimbawa, ang isang 90 Br fission fragment sa unang yugto ng beta decay ay gumagawa ng krypton-90, na maaaring pasiglahin ng sapat na enerhiya upang madaig ang enerhiya sa ibabaw. Sa kasong ito, ang paglabas ng mga neutron ay maaaring mangyari nang direkta sa pagbuo ng krypton-89. ay hindi pa rin matatag na may kinalaman sa β-decay hanggang sa ito ay maging stable na yttrium-89, upang ang krypton-89 ay nabubulok sa tatlong yugto.

Fission ng uranium nuclei: isang chain reaction

Ang mga neutron na ibinubuga sa reaksyon ng fission ay maaaring masipsip ng isa pang parent nucleus, na pagkatapos ay sumasailalim sa sapilitan na fission mismo. Sa kaso ng uranium-238, ang tatlong neutron na lumitaw ay lumalabas na may enerhiya na mas mababa sa 1 MeV (ang enerhiya na inilabas sa panahon ng fission ng isang uranium nucleus - 158 MeV - ay pangunahing na-convert sa kinetic energy ng mga fragment ng fission), kaya hindi sila maaaring maging sanhi ng karagdagang fission ng nuclide na ito. Gayunpaman, sa isang makabuluhang konsentrasyon ng bihirang isotope 235 U, ang mga libreng neutron na ito ay maaaring makuha ng 235 U nuclei, na maaaring maging sanhi ng paghahati, dahil sa kasong ito ay walang threshold ng enerhiya sa ibaba kung saan ang fission ay hindi naiimpluwensyahan.

Ito ang prinsipyo ng isang chain reaction.

Mga uri ng reaksyong nukleyar

Hayaang k ang bilang ng mga neutron na ginawa sa isang sample ng fissile material sa stage n ng chain na ito, na hinati sa bilang ng mga neutron na ginawa sa stage n - 1. Ang bilang na ito ay depende sa kung gaano karaming mga neutron na ginawa sa stage n - 1 ang nasisipsip sa pamamagitan ng nucleus, na maaaring sumailalim sa sapilitang paghahati.

Kung ang 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.

Kung k> 1, lalago ang chain reaction hanggang sa magamit ang lahat ng fissile material. Ito ay nakakamit sa pamamagitan ng pagpapayaman ng natural na ore upang makakuha ng sapat na mataas na konsentrasyon ng uranium-235. Para sa isang spherical sample, ang halaga ng k ay tumataas na may pagtaas sa posibilidad ng pagsipsip ng neutron, na nakasalalay sa radius ng globo. Samakatuwid, ang masa ng U ay dapat lumampas sa isang tiyak upang ang fission ng uranium nuclei (chain reaction) ay maaaring mangyari.

Kung k = 1, pagkatapos ay isang kontroladong reaksyon ang magaganap. Ito ay ginagamit sa Ang proseso ay kinokontrol ng pamamahagi ng cadmium o boron rods sa uranium, na sumisipsip ng karamihan sa mga neutron (ang mga elementong ito ay may kakayahang kumuha ng mga neutron). Ang fission ng uranium nucleus ay awtomatikong kinokontrol sa pamamagitan ng paggalaw ng mga rod upang ang halaga ng k ay mananatiling katumbas ng pagkakaisa.

Ang fission ng uranium nuclei ay nangyayari sa sumusunod na paraan: una, ang isang neutron ay tumama sa nucleus, tulad ng isang bala na tumatama sa isang mansanas. Sa kaso ng mansanas, butas sana ito ng bala, o kaya'y pumutok ito. Kapag ang isang neutron ay tumama sa nucleus, ito ay nakuha ng mga puwersang nuklear. Ang neutron ay kilala bilang neutral, kaya hindi ito tinataboy ng electrostatic forces.

Paano nangyayari ang uranium fission

Kaya, ang pagkakaroon ng nakuha sa komposisyon ng nucleus, ang neutron ay sumisira sa balanse, at ang nucleus ay nasasabik. Ito ay umaabot sa mga gilid tulad ng isang dumbbell o isang "infinity" sign: ∞ ... Ang mga puwersang nuklear, tulad ng alam mo, ay kumikilos sa layo na katumbas ng laki ng mga particle. Kapag ang nucleus ay nakaunat, kung gayon ang pagkilos ng mga puwersang nuklear ay nagiging hindi gaanong mahalaga para sa matinding mga particle ng "dumbbell", habang ang mga puwersa ng kuryente ay kumikilos nang napakalakas sa ganoong distansya, at ang nucleus ay napunit lamang sa dalawang bahagi. Sa kasong ito, dalawa o tatlong neutron ang ibinubuga pa rin.

Ang mga fragment ng nucleus at ang inilabas na mga neutron ay nakakalat sa napakabilis na bilis sa iba't ibang direksyon. Ang mga fragment ay mabilis na pinapabagal ng kapaligiran, ngunit ang kanilang kinetic energy ay napakalaki. Ito ay na-convert sa panloob na enerhiya ng kapaligiran, na nagpapainit. Kasabay nito, ang dami ng inilabas na enerhiya ay napakalaki. Ang enerhiya na nakuha mula sa kumpletong fission ng isang gramo ng uranium ay humigit-kumulang katumbas ng enerhiya na nakuha mula sa pagsunog ng 2.5 tonelada ng langis.

Fission chain reaction ng ilang nuclei

Isinaalang-alang namin ang fission ng isang uranium nucleus. Ang Fission ay naglabas ng ilang (madalas na dalawa o tatlong) neutron. Lumipad sila nang hiwalay sa napakabilis at madaling makapasok sa nuclei ng iba pang mga atomo, na nagiging sanhi ng reaksyon ng fission sa kanila. Ito ay isang chain reaction.

Iyon ay, ang mga neutron na nakuha bilang isang resulta ng nuclear fission ay nagpapasigla at pinipilit ang iba pang nuclei sa fission, na kung saan sila naman ay naglalabas ng mga neutron, na patuloy na nagpapasigla sa karagdagang fission. At iba pa hanggang sa ang fission ng lahat ng uranium nuclei sa agarang paligid ay mangyari.

Sa kasong ito, maaaring mangyari ang isang chain reaction avalanche, halimbawa, sa kaso ng pagsabog ng bomba atomika. Ang bilang ng mga nuclear fission ay tumataas nang husto sa isang maikling panahon. Gayunpaman, maaaring mangyari ang isang chain reaction at na may pagkupas.

Ang katotohanan ay hindi lahat ng mga neutron ay nakakatugon sa nuclei sa kanilang paraan, na kanilang hinihimok sa fission. Tulad ng naaalala natin, sa loob ng sangkap, ang pangunahing dami ay inookupahan ng walang bisa sa pagitan ng mga particle. Samakatuwid, ang ilang mga neutron ay lumilipad sa lahat ng bagay nang hindi bumabangga sa anumang bagay sa daan. At kung ang bilang ng nuclear fission ay bumababa sa paglipas ng panahon, ang reaksyon ay unti-unting namamatay.

Mga reaksyong nuklear at ang kritikal na masa ng uranium

Ano ang tumutukoy sa uri ng reaksyon? Mula sa masa ng uranium. Kung mas malaki ang masa, mas maraming particle ang sasalubong sa lumilipad na neutron at mas malaki ang pagkakataong makapasok sa nucleus. Samakatuwid, ang "kritikal na masa" ng uranium ay nakikilala - ito ang pinakamababang masa kung saan posible ang isang chain reaction.

Ang bilang ng mga ginawang neutron ay magiging katumbas ng bilang ng mga neutron na tumatakas sa labas. At ang reaksyon ay magpapatuloy sa humigit-kumulang sa parehong rate hanggang sa ang buong dami ng sangkap ay maubos. Ito ay ginagamit sa pagsasanay sa mga nuclear power plant at tinatawag na controlled nuclear reaction.

Ang pagpapakawala ng enerhiya sa panahon ng nuclear fission. Tulad ng sa iba pang mga reaksyong nuklear, ang enerhiya na inilabas sa panahon ng fission ay katumbas ng pagkakaiba sa masa ng mga nakikipag-ugnayan na mga particle at mga huling produkto. Dahil ang nagbubuklod na enerhiya ng isang nucleon sa uranium ay ang nagbubuklod na enerhiya ng isang nucleon sa mga fragment sa panahon ng fission ng uranium, ang enerhiya ay dapat ilabas

Kaya, sa panahon ng fission ng isang nucleus, isang malaking halaga ng enerhiya ang pinakawalan, ang napakaraming bahagi nito ay inilabas sa anyo ng kinetic energy ng mga fragment ng fission.

Mass distribution ng fission products. Sa karamihan ng mga kaso, ang uranium nucleus ay hindi simetrya. Ang dalawang nuklear na fragment ay may katumbas na magkaibang bilis at magkaibang masa.

Sa mga tuntunin ng masa, ang mga fragment ay nahahati sa dalawang grupo; ang isa ay malapit sa krypton at ang isa ay malapit sa xenon.

Ang fission product yield curve ay simetriko na may kinalaman sa vertical straight line na dumadaan sa punto. Ang malaking lapad ng maxima ay nagpapahiwatig ng iba't ibang fission path.

kanin. 82. Pamamahagi ng mga produkto ng uranium fission ayon sa masa

Ang mga katangiang nakalista sa itaas ay pangunahing nauugnay sa fission ng mga thermal neutron; sa kaso ng fission sa ilalim ng pagkilos ng mga neutron na may mga enerhiya na bahagyang o higit pa, ang nucleus ay nabubulok sa dalawang fragment na may mas simetriko masa.

Mga katangian ng produkto ng fission. Kapag ang isang uranium atom fission, napakaraming mga electron ng shell ang natanggal, at ang mga fission fragment ay humigit-kumulang na nagpaparami ng mga ionized na positibong ion, na, kapag dumadaan sa substance, ay malakas na nag-ionize ng mga atomo. Samakatuwid, ang mga landas ng mga fragment sa hangin ay maliit at malapit sa 2 cm.

Madaling matukoy na ang mga fragment na nabuo sa panahon ng fission ay dapat na radioactive, madaling kapitan ng paglabas ng mga neutron. Sa katunayan, sa matatag na nuclei, ang ratio ng bilang ng mga neutron at proton ay nagbabago depende sa A tulad ng sumusunod:

(tingnan ang scan)

Ang fission nuclei ay nasa gitna ng talahanayan at, samakatuwid, naglalaman ng mas maraming neutron kaysa sa katanggap-tanggap para sa kanilang katatagan. Maaari silang mapalaya mula sa labis na mga neutron kapwa sa pamamagitan ng pagkabulok at sa pamamagitan ng direktang paglabas ng mga neutron.

Mga naantalang neutron. Sa isa sa mga posibleng variant ng fission, nabuo ang radioactive bromine. Sa fig. Ang 83 ay nagpapakita ng isang pamamaraan ng pagkabulok nito, sa dulo kung saan mayroong mga matatag na isotopes

Isang kawili-wiling tampok ng chain na ito: ang krypton ay maaaring mapalaya mula sa isang dagdag na neutron alinman dahil sa -decay, o kung ito ay nabuo sa isang excited na estado dahil sa direktang paglabas ng isang neutron. Lumilitaw ang mga neutron na ito 56 segundo pagkatapos ng fission (ang habambuhay na nauugnay sa paglipat sa isang nasasabik na estado, bagama't ito mismo ay naglalabas ng mga neutron halos kaagad.

kanin. 83. Scheme ng pagkabulok ng radioactive bromine na nabuo sa isang excited na estado sa panahon ng fission ng uranium

Tinatawag silang mga delayed neutron. Sa paglipas ng panahon, ang intensity ng mga naantalang neutron ay nabubulok nang husto, tulad ng sa ordinaryong radioactive decay.

Ang enerhiya ng mga neutron na ito ay katumbas ng enerhiya ng paggulo ng nucleus. Bagama't ang mga ito ay 0.75% lamang ng lahat ng mga neutron na ibinubuga sa panahon ng fission, ang mga naantalang neutron ay may mahalagang papel sa chain reaction.

Mga instant neutron. Higit sa 99% ng mga neutron ay inilabas sa loob ng napakaikling panahon; sila ay tinatawag na prompt neutrons.

Kapag pinag-aaralan ang proseso ng fission, ang pangunahing tanong ay lumitaw, kung gaano karaming mga neutron ang ginawa sa isang pagkilos ng fission; ang tanong na ito ay mahalaga dahil kung ang kanilang bilang ay karaniwan, maaari silang magamit para sa fission ng kasunod na nuclei, iyon ay, ang posibilidad na lumikha ng isang chain reaction ay lumitaw. Sa itaas ng resolusyon ng isyung ito noong 1939-1940. nagtrabaho sa halos lahat ng pinakamalaking nuclear laboratories sa mundo.

Sa pamamagitan ng fission ng nuclei ay tinatawag na proseso kung saan ang 2 (minsan 3) fragment nuclei ay nabuo mula sa isang atomic nucleus, na malapit sa masa.

Ang prosesong ito ay kapaki-pakinabang para sa lahat. β -stable nuclei na may mass number A> 100.

Fission ng uranium nuclei ay ipinahayag noong 1939 nina Hahn at Strassmann, na malinaw na nagpatunay na kapag ang uranium nuclei ay binomba ng mga neutron U Ang radioactive nuclei ay nabuo na may mga masa at singil na humigit-kumulang kalahati ng masa at singil ng isang uranium nucleus. Sa parehong taon, ipinakilala nina L. Meitner at O. Frischer ang terminong “ nuclear fission"At nabanggit na ang prosesong ito ay naglalabas ng napakalaking enerhiya, at sabay na nalaman nina F. Joliot-Curie at E. Fermi na ang fission ay naglalabas ng ilang neutrons. (fission neutrons)... Ito ang naging batayan para sa pagsulong ng ideya. self-sustaining chain reaction ng fission at ang paggamit ng nuclear fission bilang pinagmumulan ng enerhiya. Ang nuclear fission ay ang pundasyon ng modernong nuclear power 235 U at 239 Pu sa ilalim ng pagkilos ng mga neutron.

Ang fission ng isang nucleus ay maaaring mangyari dahil sa ang katunayan na ang natitirang masa ng isang mabigat na nucleus ay lumalabas na mas malaki kaysa sa kabuuan ng mga natitirang masa ng mga fragment na lumitaw sa proseso ng fission.

Ang graph ay nagpapakita na ang prosesong ito ay lumalabas na kapaki-pakinabang mula sa isang punto ng enerhiya.

Ang mekanismo ng nuclear fission ay maaaring ipaliwanag sa batayan ng droplet model, ayon sa kung saan ang isang grupo ng mga nucleon ay kahawig ng isang droplet ng isang sisingilin na likido. Ang nucleus ay pinipigilan mula sa pagkabulok ng nuclear forces of attraction, na mas malaki kaysa sa pwersa ng Coulomb repulsion, na kumikilos sa pagitan ng mga proton at malamang na pumutok sa nucleus.

Core 235 U may hugis ng bola. Pagkatapos ng pagsipsip ng isang neutron, ito ay nasasabik at nababago, nakakakuha ng isang pinahabang hugis (sa figure b), at umaabot hanggang sa ang mga puwersa ng pagtanggi sa pagitan ng mga kalahati ng pinahabang nucleus ay maging mas malaki kaysa sa mga puwersa ng atraksyon na kumikilos sa isthmus (sa figure v). Pagkatapos nito, ang core ay napunit sa dalawang bahagi (sa figure G). Ang mga fragment sa ilalim ng impluwensya ng Coulomb repulsive forces ay nagkakalat sa bilis na katumbas ng 1/30 ng bilis ng liwanag.

Paglabas ng mga neutron sa panahon ng fission, na napag-usapan natin sa itaas, ay ipinaliwanag sa pamamagitan ng katotohanan na ang kamag-anak na bilang ng mga neutron (kaugnay ng bilang ng mga proton) sa nucleus ay tumataas sa pagtaas ng atomic number, at para sa mga fragment na nabuo sa panahon ng fission, ang bilang ng mga neutron ay nagiging mas malaki. kaysa sa posible para sa nuclei ng mga atom na may mas maliit na bilang.

Ang fission ay madalas na nangyayari sa mga fragment ng hindi pantay na masa. Ang mga fragment na ito ay radioactive. Pagkatapos ng serye β -pagkabulok, bilang isang resulta, ang mga matatag na ion ay nabuo.

Bukod sa pilit, nangyayari ito kusang fission ng uranium nuclei, na natuklasan noong 1940 ng mga physicist ng Sobyet na sina G.N. Flerov at K.A.Petrzhak. Ang kalahating buhay para sa spontaneous fission ay 10 16 na taon, na 2 milyong beses ang kalahating buhay para sa α -pagkabulok ng uranium.

Ang pagsasanib ng nuclei ay nangyayari sa mga reaksiyong thermonuclear. Mga reaksyon ng pagsasanib- Ito ay mga reaksyon ng pagsasanib ng light nuclei sa napakataas na temperatura. Ang enerhiya na ilalabas sa panahon ng pagsasanib (synthesis) ay magiging pinakamataas sa panahon ng synthesis ng mga light elements, na may pinakamaliit na enerhiyang nagbubuklod. Kapag ang dalawang light nuclei, halimbawa, deuterium at tritium, ay pinagsama, isang mas mabigat na helium nucleus na may mas mataas na enerhiyang nagbubuklod ay nabuo:

Sa ganoong proseso ng nuclear fusion, isang makabuluhang enerhiya ang inilabas (17.6 MeV), katumbas ng pagkakaiba sa mga nagbubuklod na enerhiya ng isang mabigat na nucleus at dalawang light nuclei. ... Ang neutron na nabuo sa panahon ng mga reaksyon ay nakakakuha ng 70% ng enerhiya na ito. Ang paghahambing ng enerhiya sa bawat nucleon sa nuclear fission (0.9 MeV) at fusion (17.6 MeV) na mga reaksyon ay nagpapakita na ang fusion reaction ng light nuclei ay energetically mas pabor kaysa sa fission reaction ng heavy nuclei.

Ang pagsasanib ng nuclei ay nangyayari sa ilalim ng pagkilos ng mga puwersa ng nukleyar na atraksyon, kaya dapat silang lumapit sa mga distansyang mas mababa sa 10 -14, kung saan kumikilos ang mga puwersang nukleyar. Ang rapprochement na ito ay nahahadlangan ng Coulomb repulsion ng positively charged nuclei. Maaari lamang itong malampasan dahil sa mataas na kinetic energy ng nuclei, na lumampas sa enerhiya ng kanilang Coulomb repulsion. Mula sa kaukulang mga kalkulasyon makikita na ang kinetic energy ng nuclei, na kinakailangan para sa fusion reaction, ay maaaring makamit sa mga temperatura ng pagkakasunud-sunod ng daan-daang milyong degree, kaya ang mga reaksyong ito ay tinatawag na thermonuclear.

Thermonuclear fusion- isang reaksyon kung saan sa mataas na temperatura sa itaas 10 7 K, ang mas mabibigat na nuclei ay na-synthesize mula sa light nuclei.

Thermonuclear fusion ang pinagmumulan ng enerhiya para sa lahat ng bituin, kabilang ang Araw.

Ang pangunahing proseso kung saan ang paglabas ng thermonuclear energy sa mga bituin ay nangyayari ay ang conversion ng hydrogen sa helium. Dahil sa mass defect sa reaksyong ito, ang masa ng Araw ay bumababa ng 4 milyong tonelada bawat segundo.

Malaking kinetic energy, na kailangan para sa thermonuclear fusion, ang hydrogen nuclei ay natatanggap bilang resulta ng isang malakas na gravitational attraction sa gitna ng bituin. Pagkatapos nito, kapag ang helium nuclei ay sumanib, ang mas mabibigat na elemento ay nabuo din.

Ang mga reaksyong thermonuclear ay gumaganap ng isa sa mga pangunahing tungkulin sa ebolusyon ng kemikal na komposisyon ng bagay sa Uniberso. Ang lahat ng mga reaksyong ito ay nangyayari sa pagpapalabas ng enerhiya, na ibinubuga ng mga bituin sa anyo ng liwanag sa loob ng bilyun-bilyong taon.

Ang pagpapatupad ng kinokontrol na thermonuclear fusion ay magbibigay sa sangkatauhan ng isang bago, halos hindi mauubos na mapagkukunan ng enerhiya. Ang parehong deuterium at tritium, na kinakailangan para sa pagpapatupad nito, ay madaling magagamit. Ang una ay nakapaloob sa tubig ng mga dagat at karagatan (sa halagang sapat para sa paggamit ng isang milyong taon), ang pangalawa ay maaaring makuha sa isang nuclear reactor sa pamamagitan ng pag-iilaw ng likidong lithium (ang mga reserbang kung saan ay napakalaking) na may mga neutron:

Ang isa sa pinakamahalagang bentahe ng kinokontrol na thermonuclear fusion ay ang kawalan ng radioactive waste sa panahon ng pagpapatupad nito (sa kaibahan sa mga reaksyon ng fission ng heavy uranium nuclei).

Ang pangunahing balakid sa pagpapatupad ng kinokontrol na thermonuclear fusion ay ang imposibilidad ng paghawak ng mataas na temperatura ng plasma gamit ang malakas na magnetic field para sa 0.1-1. Gayunpaman, may kumpiyansa na maaga o huli ay malilikha ang mga thermonuclear reactor.

Sa ngayon, ito ay posible lamang na gumawa hindi makontrol na reaksyon pagsasanib ng isang uri ng paputok sa isang bomba ng hydrogen.