Розподіл та синтез ядер. Походження енергії розподілу важких ядер Від чого залежить розподіл ядра атома урану

Енергія E, що вивільняється при розподілі, зростає зі збільшенням Z 2 /A. Розмір Z 2 /A = 17 для 89 Y (ітрію). Тобто. розподіл енергетично вигідно всім ядер важче ітрію. Чому ж більшість ядер стійка до мимовільного поділу? Щоб відповісти на це питання, необхідно розглянути механізм розподілу.

У процесі розподілу відбувається зміна форми ядра. Ядро послідовно проходить через наступні стадії (рис. 7.1): куля, еліпсоїд, гантель, два грушоподібні уламки, два сферичні уламки. Як у своїй змінюється потенційна енергія ядра різних стадіях поділу?
Початкове ядро ​​зі збільшенням rнабуває форми все більш витягнутого еліпсоїда обертання. В цьому випадку внаслідок еволюції форми ядра зміна його потенційної енергії визначається зміною суми поверхневої та кулонівської енергій E п + E к. Поверхнева енергія при цьому зростає, оскільки збільшується площа поверхні ядра. Кулонівська енергія зменшується, оскільки збільшується середня відстань між протонами. Якщо при незначній деформації, що характеризується малим параметром, вихідне ядро ​​набуло форми аксіально симетричного еліпсоїда, поверхнева енергія E" п і кулонівська енергія E" як функції параметра деформації змінюються наступним чином:

У співвідношенні (7.4–7.5) Eп і Eк – поверхнева та кулонівська енергії вихідного сферично-симетричного ядра.
В області важких ядер 2E п > E до і сума поверхневої та кулонівської енергій зростає зі збільшенням. З (7.4) і (7.5) слід, що з малих деформаціях зростання поверхневої енергії перешкоджає подальшому зміні форми ядра, отже, і поділу.
Співвідношення (7.5) справедливе для малих деформацій. Якщо деформація настільки велика, що ядро ​​набуває форми гантелі, то поверхневі та кулонівські сили прагнуть розділити ядро ​​і надати уламкам сферичну форму. Таким чином, за поступового збільшення деформації ядра його потенційна енергія проходить через максимум. Графік зміни поверхневої та кулонівської енергій ядра в залежності від r показаний на рис. 7.2.

Наявність потенційного бар'єру перешкоджає миттєвому мимовільному поділу ядер. Для того щоб ядро ​​розділилося, йому необхідно повідомити енергію Q, що перевищує висоту бар'єра поділу H. Максимум потенційної енергії ядра E + H (наприклад золота), що ділиться, на два однакових осколка ≈ 173 МеВ, а величина енергії E, що звільняється при розподілі, дорівнює 132 Ме . Таким чином, при розподілі ядра золота необхідно подолати потенційний бар'єр заввишки близько 40 МеВ.
Висота бар'єру розподілу H тим більше, чим менше відношення кулонівської та поверхневої енергії Е до /Е п у початковому ядрі. Це ставлення, своєю чергою, збільшується зі збільшенням параметра розподілу Z 2 /А (7.3). Чим важче ядро, тим менше висота бар'єру поділу H, оскільки параметр поділу в припущенні, що Z пропорційно A, збільшується зі зростанням масового числа:

Тому більш важким ядрам, як правило, потрібно повідомити меншу енергію, щоб викликати поділ ядра.
Висота бар'єра поділу перетворюється на нуль при 2E п – E до = 0 (7.5). В цьому випадку

2E п /E до = 2(a 2 A)/(a 3 Z 2),

Z 2 /A = 2a 2 /(a 3 Z 2) ≈ 49.

Таким чином, згідно з крапельною моделлю в природі не можуть існувати ядра з Z 2 /A > 49, оскільки вони повинні практично миттєво за характерний ядерний час порядку 10 -22 з мимоволі розділитися на два уламки. Залежність форми та висоти потенційного бар'єру H, а також енергії поділу від величини параметра Z 2 /A показані на рис. 7.3.

Мал. 7.3. Радіальна залежність форми та висоти потенційного бар'єру та енергії поділу E при різних величинах параметра Z 2 /A. На вертикальній осі відкладено величину E п + E к.

Мимовільний розподіл ядер з 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 років для 232 Th до 0,3 с для 260 Rf.
Вимушений поділ ядер із 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.
Мінімальне значення енергії збудження складового ядра E*, що утворюється при захопленні нейтрону, дорівнює енергії зв'язку нейтрону в цьому ядрі ε n . У таблиці 7.1 порівнюються висота бар'єру H і енергія зв'язку нейтрону n для ізотопів Th, U, Pu, що утворюються після захоплення нейтрона. Енергія зв'язку нейтрону залежить від кількості нейтронів у ядрі. За рахунок енергії парування енергія зв'язку парного нейтрона більша за енергію зв'язку непарного нейтрона.

Таблиця 7.1

Висота бар'єру поділу H, енергія зв'язку нейтрону ε n

Характерною особливістю поділу є те, що уламки, як правило, мають різні маси. У разі найбільш ймовірного поділу 235 U відношення мас уламків в середньому дорівнює ~1.5. Розподіл по масам уламків розподілу 235 U тепловими нейтронами показано на рис. 7.4. Для найбільш ймовірного поділу важкий уламок має масове число 139, легкий – 95. Серед продуктів поділу є уламки з A = 72 – 161 і Z = 30 – 65. Імовірність поділу на два рівні по масі уламка не дорівнює нулю. При розподілі 235 U тепловими нейтронами ймовірність симетричного розподілу приблизно на три порядки менше, ніж у разі найбільш ймовірного розподілу на уламки з A = 139 і 95.
Асиметричний поділ пояснюється оболонковою структурою ядра. Ядро прагне розділитися таким чином, щоб основна частина нуклонів кожного осколка утворила найбільш стійкий магічний кістяк.
Відношення числа нейтронів до протонів в ядрі 235 U N/Z = 1.55, у той час як у стабільних ізотопів, що мають масове число, близьке до масового числа осколків, це відношення 1.25 - 1.45. Отже, уламки розподілу виявляються сильно перевантаженими нейтронами і мають бути
β – радіоактивні. Тому уламки ділення зазнають послідовних β - -розпадів, причому заряд первинного осколка може змінюватися на 4 - 6 одиниць. Нижче наведено характерний ланцюжок радіоактивних розпадів 97 Kr - одного з уламків, що утворюється при розподілі 235 U:

Порушення уламків, спричинене порушенням співвідношення числа протонів і нейтронів, характерного для стабільних ядер, знімається також за рахунок вильоту миттєвих нейтронів поділу. Ці нейтрони випускаються осколками, що рухаються, за час, менший, ніж ~ 10 -14 с. У середньому в кожному акті поділу випромінюється 2-3 миттєві нейтрони. Їхній енергетичний спектр безперервний з максимумом близько 1 МеВ. Середня енергія миттєвого нейтрону близька до 2 МеВ. Випускання більш ніж одного нейтрона, у кожному акті поділу уможливлює отримання енергії за рахунок ланцюгової ядерної реакції поділу.
При найбільш вірогідному розподілі 235 U тепловими нейтронами легкий уламок (A = 95) набуває кінетичної енергії ≈ 100 МеВ, а важкий (A = 139) – близько 67 МеВ. Таким чином, сумарна кінетична енергія уламків ≈ 167 МеВ. Повна енергія поділу у разі становить 200 МеВ. Таким чином, енергія, що залишилася (33 МеВ) розподіляється між іншими продуктами поділу (нейтрони, електрони і антинейтрино β - -розпаду осколків, γ-випромінювання осколків і продуктів їх розпаду). Розподіл енергії поділу між різними продуктами при розподілі 235 U тепловими нейтронами наведено в таблиці 7.2.

Таблиця 7.2

Розподіл енергії поділу 235 U тепловими нейтронами

Продукти ядерного поділу (ПЗД) є складною сумішшю більш ніж 200 радіоактивних ізотопів 36 елементів (від цинку до гадолінію). Більшість активності становлять короткоживучі радіонукліди. Так, через 7, через 49 і через 343 діб після вибуху активність ПЗД знижується відповідно в 10, 100 та 1000 разів у порівнянні з активністю через годину після вибуху. Вихід найбільш біологічно значимих радіонуклідів наведено у таблиці 7.3. Крім ПЗД радіоактивне забруднення обумовлено радіонуклідами наведеної активності (3 H, 14 C, 28 Al, 24 Na, 56 Mn, 59 Fe, 60 C та ін) і нерозділеною частиною урану і плутонію. Особливо велика роль наведеної активності при термоядерних вибухах.

Таблиця 7.3

Вихід деяких продуктів поділу під час ядерного вибуху

При ядерних вибухах у атмосфері значна частина опадів (при наземних вибухах до 50%) випадає поблизу району випробувань. Частина радіоактивних речовин затримується в нижній частині атмосфери і під дією вітру переміщається на великі відстані, залишаючись приблизно на одній широті. Перебуваючи у повітрі приблизно місяць, радіоактивні речовини під час цього переміщення поступово випадають Землю. Більшість радіонуклідів викидається в стратосферу (на висоту 10÷15 км), де відбувається їх глобальне розсіювання і значною мірою розпад.
Високу активність протягом десятків років мають різні елементи конструкції ядерних реакторів (таблиця 7.4)

Таблиця 7.4

Значення питомої активності (Бк/т урану) основних продуктів поділу в тепловиділяючих елементах, вилучених з реактора після трирічної експлуатації

Поділ ядра - це розщеплення важкого атома на два фрагменти приблизно рівної маси, що супроводжується виділенням великої кількості енергії.

Відкриття ядерного поділу почало нову епоху - «атомне століття». Потенціал можливого його використання та співвідношення ризику до користі від його застосування не тільки породили безліч соціологічних, політичних, економічних та наукових досягнень, а й серйозні проблеми. Навіть із суто наукової точки зору процес ядерного поділу створив велику кількість головоломок та ускладнень, і повне теоретичне його пояснення є справою майбутнього.

Ділитись – вигідно

Енергії зв'язку (на нуклон) у різних ядер різняться. Більш важкі мають меншу енергію зв'язку, ніж розташовані в середині періодичної таблиці.

Це означає, що важким ядрам, у яких атомне число більше 100, вигідно ділитися на два менші фрагменти, тим самим вивільняючи енергію, яка перетворюється на кінетичну енергію осколків. Цей процес називається розщепленням

Відповідно до кривої стабільності, яка показує залежність числа протонів від числа нейтронів для стабільних нуклідів, більш важкі ядра віддають перевагу більшій кількості нейтронів (у порівнянні з кількістю протонів), ніж легші. Це говорить про те, що поряд із процесом розщеплення будуть випускатися деякі «запасні» нейтрони. Крім того, вони також прийматимуть на себе частину енергії, що виділяється. Вивчення розподілу ядра атома урану показало, що при цьому виділяється 3-4 нейтрони: 238 U → 145 La + 90 Br + 3n.

Атомне число (і атомна маса) осколка не дорівнює половині атомної маси батька. Різниця між масами атомів, що утворилися внаслідок розщеплення, зазвичай становить близько 50. Щоправда, причина цього ще зовсім зрозуміла.

Енергії зв'язку 238 U, 145 La і 90 Br дорівнюють 1803, 1198 та 763 МеВ відповідно. Це означає, що в результаті цієї реакції вивільняється енергія поділу ядра урану, що дорівнює 1198 + 763-1803 = 158 МеВ.

Мимовільний поділ

Процеси спонтанного розщеплення відомі у природі, але дуже рідкісні. Середній час життя цього процесу становить близько 10 17 років, а, наприклад, середній час життя альфа-розпаду того ж радіонукліду становить близько 10 11 років.

Причина цього полягає в тому, що для того, щоб розділитися на дві частини, ядро ​​має спочатку піддатися деформації (розтягтися) в еліпсоїдальну форму, а потім перед остаточним розщепленням на два фрагменти утворити «шийку» посередині.

Потенційний бар'єр

У деформованому стані на ядро ​​діють дві сили. Одна з них – збільшена поверхнева енергія (поверхневий натяг краплі рідини пояснює її сферичну форму), а інша – кулонівське відштовхування між уламками поділу. Разом вони справляють потенційний бар'єр.

Як і у випадку альфа-розпаду, щоб відбулося спонтанне поділ ядра атома урану, фрагменти повинні подолати цей бар'єр за допомогою квантового тунелювання. Величина бар'єру становить близько 6 МеВ, як і у випадку з альфа-розпадом, але ймовірність тунелювання α-частинки значно більша, ніж значно важчого продукту розщеплення атома.

Вимушене розщеплення

Набагато найімовірнішим є індуковане розподіл ядра урану. У цьому випадку материнське ядро ​​опромінюється нейтронами. Якщо батько його поглинає, вони зв'язуються, вивільняючи енергію зв'язку як коливальної енергії, що може перевищити 6 МеВ, необхідні подолання потенційного бар'єру.

Там, де енергії додаткового нейтрона недостатньо для подолання потенційного бар'єру, нейтрон, що падає, повинен мати мінімальну кінетичну енергію для того, щоб мати можливість індукувати розщеплення атома. Що стосується 238 U енергії зв'язку додаткових нейтронів бракує близько 1 МеВ. Це означає, що розподіл ядра урану індукується лише нейтроном з кінетичною енергією більше 1 МеВ. З іншого боку, ізотоп 235 має один непарний нейтрон. Коли ядро ​​поглинає додатковий, він утворює з ним пару, і в результаті цього парування з'являється додаткова енергія зв'язку. Цього достатньо для звільнення кількості енергії, необхідної для того, щоб ядро ​​подолало потенційний бар'єр і поділ ізотопу відбувався при зіткненні з будь-яким нейтроном.

Бета-розпад

Незважаючи на те, що при реакції поділу випромінюються три або чотири нейтрони, уламки, як і раніше, містять більше нейтронів, ніж їх стабільні ізобари. Це означає, що фрагменти розщеплення, як правило, нестійкі до бета-розпаду.

Наприклад, коли відбувається розподіл ядра урану 238 U, стабільним ізобаром з А = 145 є неодим 145 Nd, що означає, що фрагмент лантан 145 La розпадається в три етапи, щоразу випромінюючи електрон та антинейтрино, доки не буде утворено стабільний нуклід. Стабільним ізобаром з A = 90 є цирконій 90 Zr, тому уламок розщеплення бром 90 Br розпадається у п'ять етапів ланцюга β-розпаду.

Ці ланцюги β-розпаду виділяють додаткову енергію, яка майже вся виноситься електронами та антинейтрино.

Ядерні реакції: розподіл ядер урану

Пряме випромінювання нейтрону з нукліду з занадто великою кількістю для забезпечення стабільності ядра малоймовірно. Тут справа полягає в тому, що немає кулонівського відштовхування і тому поверхнева енергія має тенденцію до утримання нейтрону у зв'язку з батьком. Тим не менш, це іноді відбувається. Наприклад, фрагмент поділу 90 Br у першій стадії бета-розпаду виробляє криптон-90, який може бути у збудженому стані з достатньою енергією, щоб подолати поверхневу енергію. У цьому випадку випромінювання нейтронів може відбуватися безпосередньо з утворенням криптону-89. як і раніше, нестійкий по відношенню до β-розпаду, поки не перейде в стабільний ітрій-89, так що криптон-89 розпадається в три етапи.

Розподіл ядер урану: ланцюгова реакція

Нейтрони, що випускаються в реакції розщеплення, можуть бути поглинені іншим ядром-батьком, яке потім піддається індукованому поділу. У разі урану-238 три нейтрони, що виникають, виходять з енергією менше 1 МеВ (енергія, що виділяється при розподілі ядра урану - 158 МеВ - в основному переходить у кінетичну енергію уламків розщеплення), тому вони не можуть викликати подальшого поділу цього нукліду. Тим не менш, при значній концентрації рідкісного ізотопу 235 U ці вільні нейтрони можуть бути захоплені ядрами 235 U, що дійсно може викликати розщеплення, оскільки в цьому випадку відсутня енергетичний поріг, нижче якого розподіл не індукується.

Такий принцип ланцюгової реакції.

Типи ядерних реакцій

Нехай k - число нейтронів, вироблене у зразку матеріалу, що ділиться на стадії n цього ланцюга, поділене на число нейтронів, утворених на стадії n - 1. Це число залежатиме від того, скільки нейтронів, отриманих на стадії n - 1, поглинаються ядром, яке може зазнати вимушеного поділу.

Якщо 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.

Якщо k > 1, то ланцюгова реакція зростатиме до тих пір, поки весь матеріал не буде використаний Це досягається шляхом збагачення природної руди до отримання досить великої концентрації урану-235. Для сферичного зразка величина k збільшується зі зростанням ймовірності поглинання нейтронів, що залежить від радіусу сфери. Тому маса U повинна перевищувати деяку, щоб поділ ядер урану (ланцюгова реакція) могло відбуватися.

Якщо k = 1, має місце керована реакція. Це використовується в Процес контролюється розподілом серед урану стрижнів з кадмію або бору, які поглинають більшу частину нейтронів (ці елементи мають здатність захоплювати нейтрони). Розподіл ядра урану контролюється автоматично шляхом переміщення стрижнів таким чином, щоб величина k залишалася рівною одиниці.

Розподіл ядер урану відбувається наступним чином:спочатку в ядро ​​потрапляє нейтрон, наче куля в яблуко. У випадку з яблуком куля зробила б у ньому дірку, або рознесла на шматки. Коли ж нейтрон потрапляє у ядро, він захоплюється ядерними силами. Нейтрон, як відомо, нейтральний, тому він не відштовхується електростатичними силами.

Як відбувається розподіл ядра урану

Отже, потрапивши до складу ядра, нейтрон порушує рівновагу і ядро ​​порушується. Воно розтягується в сторони подібно до гантелі або знака «нескінченність»: ∞ . Ядерні сили, як відомо, діють на відстані, порівнянному з розмірами частинок. Коли ядро ​​розтягується, то дія ядерних сил стає несуттєвою для крайніх частинок «гантелі», тоді як електричні сили діють такій відстані дуже потужно, і ядро ​​просто розривається на частини. При цьому ще випромінюється два-три нейтрони.

Уламки ядра і нейтрони, що виділилися, розлітаються на величезній швидкості в різні боки. Осколки досить швидко гальмуються навколишнім середовищем, проте їхня кінетична енергія величезна. Вона перетворюється на внутрішню енергію середовища, яке нагрівається. При цьому величина енергії, що виділяється, величезна. Енергія, отримана при повному розподілі одного грама урану, приблизно дорівнює енергії, що отримується від спалювання 2,5 тонн нафти.

Ланцюгова реакція поділу кількох ядер

Ми розглянули поділ одного ядра урану. При розподілі виділилося кілька (найчастіше два-три) нейтронів. Вони на великій швидкості розлітаються в сторони і можуть запросто потрапити до ядр інших атомів, викликавши в них реакцію поділу. Це і є ланцюгова реакція.

Тобто отримані в результаті розподілу ядра нейтрони збуджують і примушують ділитися інші ядра, які в свою чергу самі випромінюють нейтрони, які продовжують стимулювати розподіл далі. І так доти, доки не відбудеться поділ всіх ядер урану в безпосередній близькості.

При цьому ланцюгова реакція може відбуватися лавиноподібнонаприклад, у разі вибуху атомної бомби. Кількість поділів ядер збільшується у геометричній прогресії за короткий проміжок часу. Однак ланцюгова реакція може відбуватися і із загасанням.

Справа в тому, що не всі нейтрони зустрічають на своєму шляху ядра, які вони спонукають ділитися. Як ми пам'ятаємо, усередині речовини основний обсяг займає порожнеча між частинками. Тому деякі нейтрони пролітають усю речовину наскрізь, не зіткнувшись по дорозі ні з чим. І якщо кількість поділів ядер зменшується з часом, то реакція поступово згасає.

Ядерні реакції та критична маса урану

Від чого залежить тип реакції?Від маси урану. Чим більше маса - тим більше частинок зустріне на своєму шляху нейтрон, що летить, і шансів потрапити в ядро ​​у нього більше. Тому розрізняють «критичну масу» урану - це така мінімальна маса, за якої можливе протікання ланцюгової реакції.

Кількість нейтронів, що утворилися, дорівнюватиме кількості нейтронів, що відлетіли зовні. І реакція протікатиме з приблизно однаковою швидкістю, поки виробиться весь обсяг речовини. Це використовують на практиці на атомних електростанціях і називають керованою ядерною реакцією.

Визволення енергії при розподілі ядер.Так само як і в інших ядерних реакціях, енергія, що звільняється при розподілі, еквівалентна різниці мас частинок, що взаємодіють, і кінцевих продуктів. Так як енергія зв'язку нуклону в урані а енергія зв'язку одного нуклону в уламках при розподілі урану повинна виділятися енергія

Таким чином, при розподілі ядра звільняється величезна енергія, переважна її частина виділяється у вигляді кінетичної енергії уламків розподілу.

Розподіл продуктів розподілу за масами.Ядро урану здебільшого ділиться несиметрично. Два ядерні уламки мають відповідно різні швидкості та різні маси.

Осколки мас розпадаються на дві групи; одна поблизу криптону з інша поблизу ксенону Маси уламків ставляться один до одного в середньому як З законів збереження енергії та імпульсу можна отримати, що кінетичні енергії уламків повинні бути обернено пропорційні їх масам:

Крива виходу продуктів розподілу симетрична щодо вертикальної прямої, що проходить через точку Значна ширина максимумів свідчить про різноманіття шляхів розподілу.

Мал. 82. Розподіл продуктів розподілу урану за масами

Перелічені показники ставляться переважно до поділу під впливом теплових нейтронів; у разі розподілу під дією нейтронів з енергією в кілька і більше, ядро ​​розпадається на два більш симетричні маси осколка.

Властивості продуктів поділу.При розподілі атома урану відбувається зрив дуже багатьох електронів оболонки, і уламки розподілу являють собою приблизно-кратно іонізовані позитивні іони, які при проходженні через речовину сильно іонізують атоми. Тому пробіги уламків у повітрі невеликі та близькі до 2 см.

Легко встановити, що утворюються при розподілі уламки повинні бути радіоактивними, схильними до випромінювання нейтронів. Справді, у стабільних ядер відношення числа нейтронів і протонів змінюється залежно від наступним чином:

(Див. скан)

Ядра, які утворилися при розподілі, лежать у середині таблиці і, отже, містять більше нейтронів, ніж це допустимо їх стабільності. Звільнятися від зайвих нейтронів можуть як шляхом -розпаду, і безпосередньо випускаючи нейтрони.

Запізнювальні нейтрони.В одному з можливих варіантів поділу утворюється радіоактивний бром. На рис. 83 показано схему його розпаду, в кінці якої знаходяться стабільні ізотопи

Цікава особливість цього ланцюжка: криптон може звільнятися від зайвого нейтрону або за рахунок розпаду, або якщо він утворився в збудженому стані за рахунок прямого випромінювання нейтрона. Ці нейтрони з'являються через 56 сек після поділу (час життя щодо переходу в збуджений стан хоча сам випускає нейтрони практично миттєво).

Мал. 83. Схема розпаду радіоактивного брому, утвореного у збудженому стані при розподілі урану

Вони називаються нейтронами, що запізнюються. Згодом інтенсивність нейтронів, що запізнюються, спадає по експоненті, як при звичайному радіоактивному розпаді.

Енергія цих нейтронів дорівнює енергії збудження ядра. Хоча вони становлять лише 0,75% від усіх нейтронів, що вилітають при розподілі, у здійсненні ланцюгової реакції нейтрони, що запізнюються, відіграють важливу роль.

Миттєві нейтрони.Понад 99% нейтронів звільняється протягом дуже короткого часу; їх називають миттєвими нейтронами.

При вивченні процесу поділу виникає фундаментальне питання, скільки нейтронів виходить в одному акті поділу; це питання важливе тому, що й їхнє число в середньому велике вони можуть бути використані для поділу наступних ядер, тобто виникає можливість створення ланцюгової реакції. Над вирішенням цього питання у 1939-1940 pp. працювали практично у всіх найбільших ядерних лабораторіях світу.

Розподілом ядерназивається процес, при якому з одного атомного ядра утворюється 2 (іноді 3) ядра-уламка, які є близькими за масою.

Цей процес є вигідним для всіх β -Стабільних ядер з масовим числом А > 100.

Поділ ядер уранубуло виявлено в 1939 році Ганом і Штрасманом, які однозначно довели, що при бомбардуванні нейтронами ядер урану Uутворюються радіоактивні ядра з масами і зарядами, приблизно в 2 рази меншими від маси і заряду ядра урану. У тому ж році Л. Мейтнером та О. Фрішером було введено термін « розподіл ядер» і було зазначено, що при цьому процесі виділяється величезна енергія, а Ф. Жоліо-Кюрі та Е. Фермі одночасно з'ясували, що при розподілі випромінюються кілька нейтронів (Нейтрони поділу). Це стало основою висування ідеї ланцюгової реакції поділу, що самопідтримуєтьсята використання поділу ядер як джерела енергії. Основою сучасної ядерної енергетики є розподіл ядер 235 Uі 239 Puпід впливом нейтронів.

Розподіл ядра може відбуватися завдяки тому, що маса спокою важкого ядра виявляється більшою за суму мас спокою осколків, які виникають у процесі поділу.

З графіка видно, що цей процес виявляється вигідним із енергетичної точки зору.

Механізм поділу ядра можна пояснити на основі крапельної моделі, відповідно до якої згусток нуклонів нагадує крапельку зарядженої рідини. Ядро утримують від розпаду ядерні сили тяжіння, більші, ніж сили кулонівського відштовхування, які діють між протонами і прагнуть розірвати ядро.

Ядро 235 Uмає форму кулі. Після поглинання нейтрона воно збуджується і деформується, набуваючи витягнутої форми (на малюнку б), і розтягується до тих пір, поки сили відштовхування між половинками витягнутого ядра не стануть більше сил тяжіння, що діють у перешийку (на малюнку в). Після цього ядро ​​розривається на дві частини (на малюнку г). Уламки під дією кулонівських сил відштовхування розлітаються зі швидкістю, що дорівнює 1/30 швидкості світла.

Випускання нейтронів у процесі розподілу, Про який ми говорили вище, пояснюється тим, що відносна кількість нейтронів (по відношенню до протонів) в ядрі збільшується зі зростанням атомного номера, і для утворилися при розподілі осколків число нейтронів стає більшим, ніж це можливо для ядер атомів з меншими номерами.

Поділ часто відбувається на уламки нерівної маси. Ці уламки є радіоактивними. Після серії β -Розпадів у результаті утворюються стабільні іони.

Крім вимушеного, буває і спонтанний поділ ядер урану, яке було відкрито в 1940 році радянськими фізиками Г. Н. Флеровим та К. А. Петржаком. Період напіврозпаду для спонтанного поділу відповідає 10 16 років, що в 2 млн. разів більше періоду напіврозпаду при α -Розпад урану.

Синтез ядер відбувається у термоядерних реакціях. Термоядерні реакції- Це реакції злиття легких ядер при дуже високій температурі. Енергія, яка виділяється при злитті (синтезі), буде максимальною при синтезі легких елементів, які мають найменшу енергію зв'язку. При з'єднанні двох легких ядер, наприклад, дейтерію і тритію, утворюється важче ядро ​​гелію з більшою енергією зв'язку:

При такому процесі ядерного синтезу відбувається виділення значної енергії (17,6 МеВ), що дорівнює різниці енергій зв'язку важкого ядра та двох легких ядер . Нейтрон, що утворюється при реакціях, набуває 70% цієї енергії. Порівняння енергії, яка припадає на один нуклон у реакціях ядерного поділу (0,9 Мев) та синтезу (17,6 Мев), показує, що реакція синтезу легких ядер енергетично є вигіднішою, ніж реакція поділу важких.

Злиття ядер відбувається під дією сил ядерного тяжіння, тому вони повинні зблизитися до відстаней, менших 10 -14 , де діють ядерні сили. Цьому зближенню перешкоджає кулонівське відштовхування позитивно заряджених ядер. Його можна подолати лише за рахунок великої кінетичної енергії ядер, які перевищують енергію їхнього кулонівського відштовхування. З відповідних розрахунків видно, що кінетичну енергію ядер, яка потрібна для реакції синтезу, можна досягти при температурах близько сотень мільйонів градусів, тому ці реакції мають назву термоядерних.

Термоядерний синтез- Реакція, в якій при високій температурі, більшій за 10 7 К, з легких ядер синтезуються важчі ядра.

Термоядерний синтез - джерело енергії всіх зірок, у тому числі і Сонця.

Основним процесом, у якому відбувається звільнення термоядерної енергії у зірках, є перетворення водню на гелій. За рахунок дефекту маси в цій реакції маса Сонця зменшується кожну секунду на 4 млн. тонн.

Велику кінетичну енергію, яка потрібна для термоядерного синтезу, ядра водню одержують у результаті сильного гравітаційного тяжіння до центру зірки. Після цього при злитті ядер гелію утворюються і важчі елементи.

Термоядерні реакції грають одну з головних ролей в еволюції хімічного складу речовини у Всесвіті. Всі ці реакції відбуваються із виділенням енергії, яка випромінюється зірками у вигляді світла протягом мільярдів років.

Здійснення керованого термоядерного синтезу надало б людству нове, практично невичерпне джерело енергії. І дейтерій, і тритій, необхідних його здійснення , цілком доступні. Перший міститься у воді морів і океанів (у кількості, достатньому для використання протягом мільйона років), другий може бути отриманий в ядерному реакторі при опроміненні рідкого літію (запаси якого є величезними) нейтронами:

Однією з найважливіших переваг керованого термоядерного синтезу є радіоактивних відходів при його здійсненні (на відміну від реакцій поділу важких ядер урану).

Головною перешкодою шляху здійснення керованого термоядерного синтезу є неможливість утримання високотемпературної плазми з допомогою сильних магнітних полів протягом 0,1-1 . Однак існує впевненість у тому, що рано чи пізно термоядерні реактори будуть створені.

Поки що вдалося зробити тільки некеровану реакціюсинтезу вибухового типу у водневій бомбі