Yadrolarning bo'linishi va birlashishi. Og'ir yadrolarning bo'linish energiyasining kelib chiqishi Uran atomining bo'linishini nima aniqlaydi

Parchalanish vaqtida ajralib chiqadigan E energiyasi Z 2 / A ortishi bilan ortadi. Z 2 / A = 17 uchun 89 Y (ittrium). Bular. bo'linish ittriydan og'irroq bo'lgan barcha yadrolar uchun energetik jihatdan qulaydir. Nega yadrolarning aksariyati o'z -o'zidan bo'linishga chidamli? Bu savolga javob berish uchun bo'linish mexanizmini ko'rib chiqish kerak.

Parchalanish jarayonida yadroning shakli o'zgaradi. Yadro ketma-ket quyidagi bosqichlardan o'tadi (7.1-rasm): to'p, ellipsoid, dumbbell, nok shaklidagi ikkita bo'lak, ikkita sharsimon bo'lak. Yadroning potentsial energiyasi bo'linishning turli bosqichlarida qanday o'zgaradi?
Kattalashtirish bilan dastlabki yadro r tobora kengayib borayotgan inqilob ellipsoidini oladi. Bu holda, yadro shakli evolyutsiyasi tufayli uning potentsial energiyasidagi o'zgarish sirt va Kulon energiyalari yig'indisining o'zgarishi bilan aniqlanadi E n + E k. Bu holda sirt energiyasi ortadi, chunki yadroning sirt maydoni oshadi. Kulonlar energiyasi protonlar orasidagi o'rtacha masofa ortishi bilan kamayadi. Agar kichik parametr bilan tavsiflanadigan ahamiyatsiz deformatsiya bilan boshlang'ich yadro eksenel nosimmetrik ellipsoid shaklini oladigan bo'lsa, deformatsiya parametrining funktsiyalari sifatida sirt energiyasi E "n va Kulon energiyasi E" k o'zgaradi:

O'zaro munosabatlarda (7.4-7.5) E. n va E. k - boshlang'ich sferik nosimmetrik yadroning sirt va Kulon energiyalari.
Og'ir yadrolar 2E n> E k hududida va sirt va Kulon energiyalari yig'indisi ortib borishi bilan ortadi. (7.4) va (7.5) dan kelib chiqadiki, kichik deformatsiyalarda sirt energiyasining ortishi yadro shaklining yana o'zgarishiga va natijada bo'linishga to'sqinlik qiladi.
Aloqalar (7.5) kichik deformatsiyalar uchun amal qiladi. Agar deformatsiya shunchalik katta bo'ladiki, yadro dumbbell shakliga ega bo'lsa, u holda sirt va Kulon kuchlari yadroni ajratib, bo'laklarga sharsimon shakl berishga moyildir. Shunday qilib, yadro deformatsiyasining bosqichma -bosqich oshishi bilan uning potentsial energiyasi maksimaldan o'tadi. R funksiyasi sifatida yadroning sirt va Kulon energiyalaridagi o'zgarishlar grafigi rasmda ko'rsatilgan. 7.2.

Potentsial to'siqning mavjudligi o'z -o'zidan paydo bo'ladigan yadroviy bo'linishni oldini oladi. Yadro bo'linishi uchun unga bo'linish to'sig'ining balandligidan oshib ketadigan Q energiyasi berilishi kerak. E + H (masalan, oltin) bo'linadigan yadroning maksimal potentsial energiyasi ikkita bir xil bo'lakka - 173 MeV, va bo'linish paytida ajralib chiqqan E energiyasining qiymati 132 MeV ... Shunday qilib, oltin yadroni ajratishda balandligi taxminan 40 MeV bo'lgan potentsial to'siqni engib o'tish kerak.
Parchalanish to'sig'ining balandligi H qanchalik katta bo'lsa, boshlang'ich yadroda Kulon va sirt energiyalarining E ga / E n nisbati shunchalik kichik bo'ladi. Bu nisbat, o'z navbatida, Z 2 / A (7.3) bo'linish parametrining oshishi bilan ortadi. Yadro qanchalik og'ir bo'lsa, H bo'linish to'sig'ining balandligi past bo'ladi, chunki bo'linish parametri Z A ga mutanosib deb hisoblanib, massa sonining ortishi bilan ortadi:

Shuning uchun, og'irroq yadrolar, qoida tariqasida, yadro parchalanishiga olib kelishi uchun kamroq energiya ajratishi kerak.
Parchalanish to'sig'ining balandligi 2E n - E k = 0 (7.5) da yo'qoladi. Ushbu holatda

2E p / E k = 2 (a 2 A) / (a ​​3 Z 2),

Z 2 / A = 2a 2 / (a ​​3 Z 2) ≈ 49.

Shunday qilib, tomchi modelga ko'ra, Z 2 / A> 49 bo'lgan yadrolar tabiatda bo'lolmaydi, chunki ular xarakterli yadro vaqtida o'z -o'zidan ikki bo'lakka bo'linib ketishi kerak - 10-22 soniya. H potentsial to'siqning shakli va balandligi, shuningdek bo'linish energiyasining Z 2 / A parametr qiymatiga bog'liqligi rasmda ko'rsatilgan. 7.3.

Guruch. 7.3. Z 2 / A parametrining turli qiymatlari uchun potentsial to'siqning shakli va balandligi va bo'linish energiyasi E ning radial bog'liqligi. E p + E k qiymati vertikal o'qda chiziladi.

Z 2 / A bilan yadrolarning o'z -o'zidan bo'linishi< 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 uchun 10 21 yil 260 Rf uchun 0,3 s gacha.
Z 2 / A bilan yadrolarning majburiy bo'linishi< 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.
Neytronni ushlab olish paytida hosil bo'lgan E * birikma yadrosining qo'zg'alish energiyasining minimal qiymati bu yadrodagi n neytronning bog'lanish energiyasiga teng. 7.1 -jadvalda neytron ushlanganidan keyin hosil bo'lgan Th, U, Pu izotoplari uchun to'siq balandligi H va neytron bog'lanish energiyasi n n solishtiriladi. Neytronning bog'lanish energiyasi yadrodagi neytronlar soniga bog'liq. Juftlik energiyasi tufayli juft neytronning bog'lanish energiyasi toq neytronning bog'lanish energiyasidan katta.

7.1 -jadval

Parchalanish to'sig'ining balandligi H, neytron bog'lanish energiyasi ε n

Parchalanishning xarakterli xususiyati shundaki, parchalar odatda har xil massaga ega. 235 U eng katta bo'linish bo'lsa, parcha massasi nisbati o'rtacha ~ 1,5 ga teng. Termal neytronlar tomonidan 235 U bo'linishidan bo'laklarning massa taqsimoti rasmda ko'rsatilgan. 7.4. Eng katta bo'linish uchun og'ir bo'lakning massa raqami 139, engil qismi - 95. bo'linish mahsulotlari orasida A = 72 - 161 va Z = 30 - 65 bo'laklari bor. Ikki bo'lakka bo'linish ehtimoli teng massa nolga teng emas. Termal neytronlar bilan 235 U bo'linishida, nosimmetrik bo'linish ehtimoli A = 139 va 95 bo'laklarga bo'linish ehtimoliga qaraganda kattaligidan taxminan 3 daraja kamroq.
Asimmetrik bo'linish yadroning qobiq tuzilishi bilan izohlanadi. Yadro shunday bo'linishga moyildirki, har bir bo'lak nuklonlarining asosiy qismi eng barqaror sehrli skeletni hosil qiladi.
Neytronlar sonining 235 yadrosidagi protonlar soniga nisbati U N / Z = 1,55, massa soniga yaqin bo'laklarga ega bo'lgan barqaror izotoplar uchun bu nisbat 1,25 - 1,45 ni tashkil qiladi. Shunday qilib, bo'linish bo'laklari neytronlar bilan haddan tashqari yuklangan bo'lib chiqadi va bo'lishi kerak
b - radioaktiv. Shuning uchun bo'linish bo'laklari ketma -ket b - parchalanishga uchraydi va birlamchi bo'lakning zaryadi 4 - 6 birlikgacha o'zgarishi mumkin. Quyida 97 Kr ning radioaktiv parchalanishining odatiy zanjiri - 235 U bo'linishi paytida hosil bo'lgan bo'laklardan biri:

Barqaror yadrolarga xos bo'lgan protonlar va neytronlar sonining nisbati buzilishidan kelib chiqqan bo'laklarning qo'zg'alishi ham neytronlarning tez bo'linishi tufayli yo'q qilinadi. Bu neytronlar ~ 10 -14 s dan kamroq vaqt ichida harakatlanuvchi bo'laklar orqali chiqariladi. O'rtacha, har bir bo'linish aktida 2-3 tez neytron chiqariladi. Ularning energiya spektri doimiy ravishda maksimal 1 MeV ga teng. O'rtacha tez neytron energiyasi 2 MeV ga yaqin. Har bir bo'linish hodisasida bir nechta neytronning chiqarilishi yadroviy bo'linish zanjiri reaktsiyasi orqali energiya olish imkonini beradi.
Issiqlik neytronlari tomonidan 235 U bo'linishi ehtimoli bilan, engil bo'lak (A = 95) ≈ 100 MeV kinetik energiyaga ega bo'ladi, va og'ir (A = 139) - taxminan 67 MeV. Shunday qilib, bo'laklarning umumiy kinetik energiyasi ≈ 167 MeV. Bu holda umumiy bo'linish energiyasi 200 MeV ni tashkil qiladi. Shunday qilib, qolgan energiya (33 MeV) boshqa bo'linish mahsulotlari o'rtasida taqsimlanadi (neytronlar, elektronlar va antineytrinolar b - parchalarning parchalanishi, parchalarning d -nurlanishi va ularning parchalanish mahsulotlari). Termal neytronlar bilan 235 U bo'linishida turli xil mahsulotlar o'rtasida bo'linish energiyasini taqsimlanishi 7.2 -jadvalda keltirilgan.

7.2 -jadval

Parchalanish energiyasini taqsimlash 235 U termal neytronlar orqali

Parchalanish mahsulotlari (AES) - 36 ta elementdan iborat 200 dan ortiq radioaktiv izotoplarning murakkab aralashmasidan (ruxdan gadoliniygacha). Faoliyatning katta qismi qisqa muddatli radionuklidlardan iborat. Shunday qilib, portlashdan 7, 49 va 343 kun o'tgach, AES faolligi portlashdan bir soat o'tgach sodir bo'lgan faollikka nisbatan mos ravishda 10, 100 va 1000 marta kamayadi. Eng biologik ahamiyatga ega bo'lgan radionuklidlarning rentabelligi 7.3 -jadvalda ko'rsatilgan. AESga qo'shimcha ravishda, radioaktiv ifloslanish induktsiyalangan faollik (3 H, 14 C, 28 Al, 24 Na, 56 Mn, 59 Fe, 60 Co va boshqalar) va uran va plutoniyning ajralmagan qismi radionuklidlari tufayli yuzaga keladi. Ayniqsa, termoyadro portlashlarida induksion faollikning roli katta.

7.3 -jadval

Yadro portlashida ba'zi bo'linish mahsulotlarining chiqarilishi

Atmosferadagi yadroviy portlashlarda yog'ingarchilikning katta qismi (50%gacha er usti portlashlarida) sinov maydoni yaqiniga to'g'ri keladi. Radioaktiv moddalarning bir qismi atmosferaning quyi qismida saqlanib qoladi va shamol ta'sirida uzoq masofalarda harakat qiladi va taxminan bir xil kenglikda qoladi. Taxminan bir oy havoda bo'lgan radioaktiv moddalar bu harakat paytida asta -sekin Yerga tushadi. Radionuklidlarning katta qismi stratosferaga (10-15 km balandlikda) chiqariladi, u erda ular butun dunyo bo'ylab tarqalgan va asosan chirigan.
Yadroviy reaktorlarning turli tarkibiy elementlari o'nlab yillar davomida juda faol bo'lgan (7.4 -jadval).

7.4 -jadval

Uch yillik ishdan keyin reaktordan chiqarilgan yoqilg'i elementlaridagi asosiy bo'linish mahsulotlarining o'ziga xos faollik qiymatlari (Bq / t uran)

Yadroviy bo'linish - bu og'ir atomning taxminan teng massaga ega ikkita bo'lakka bo'linishi va ko'p miqdorda energiya ajralishi.

Yadro bo'linishining ochilishi yangi davrni - "atom davri" ni boshladi. Uni ishlatish ehtimoli va undan foydalanish xavfining nisbati nafaqat ko'plab sotsiologik, siyosiy, iqtisodiy va ilmiy yutuqlarni, balki jiddiy muammolarni ham keltirib chiqardi. Hatto ilmiy nuqtai nazardan ham, yadroviy bo'linish jarayoni ko'plab jumboqlar va asoratlarni keltirib chiqardi va uning to'liq nazariy izohlanishi kelajak masalasidir.

Ulashish foydali

Bog'lanish energiyalari (har bir nuklon uchun) har xil yadrolar uchun farq qiladi. Og'irlari davriy jadvalning o'rtasida joylashganidan ko'ra kamroq bog'lanish energiyasiga ega.

Bu shuni anglatadiki, atom raqami 100 dan katta bo'lgan og'ir yadrolar ikkita kichik bo'lakka bo'linib, shu orqali bo'laklarning kinetik energiyasiga aylanadigan energiyani chiqaradi. Bu jarayon bo'linish deb ataladi

Barqaror nuklidlar uchun protonlar sonining neytronlar soniga bog'liqligini ko'rsatadigan barqarorlik egri chizig'iga ko'ra, og'irroq yadrolar engillarga qaraganda ko'proq neytronlarni (protonlar soniga nisbatan) afzal ko'radi. Bu shuni ko'rsatadiki, bo'linish jarayoni bilan bir qatorda ba'zi "zaxira" neytronlar ham chiqariladi. Bundan tashqari, ular chiqarilgan energiyaning bir qismini o'z zimmalariga oladilar. Uran atomining bo'linishini o'rganish shuni ko'rsatdiki, 3-4 neytron ajralib chiqadi: 238 U → 145 La + 90 Br + 3n.

Parchaning atom raqami (va atom massasi) ota -onasining atom massasining yarmi emas. Parchalanish natijasida hosil bo'lgan atom massalari orasidagi farq odatda 50 ga yaqin bo'ladi. To'g'ri, buning sababi hali to'liq tushunilmagan.

238 U, 145 La va 90 Br ning bog'lanish energiyalari mos ravishda 1803, 1198 va 763 MeV. Bu shuni anglatadiki, bu reaktsiya natijasida uran yadrosining bo'linish energiyasi chiqariladi, bu 1198 + 763-1803 = 158 MeV ga teng.

O'z -o'zidan bo'linish

O'z -o'zidan bo'linish jarayonlari tabiatda ma'lum, lekin ular juda kam uchraydi. Bu jarayonning o'rtacha umri taxminan 10 17 yilni tashkil etadi va, masalan, bir xil radionuklidning alfa parchalanishining o'rtacha umri taxminan 10 11 yilni tashkil qiladi.

Buning sababi shundaki, yadro ikki qismga bo'linishi uchun avval deformatsiyaga uchrashi (cho'zilishi) ellipsoid shaklga o'tishi, so'ngra nihoyat ikkita bo'lakka bo'linmasidan oldin o'rtada "bo'yin" hosil qilishi kerak.

Potentsial to'siq

Deformatsiyalangan holatda ikkita kuch yadroga ta'sir qiladi. Ulardan biri sirt energiyasining oshishi (suyuqlik tomchisining sirt tarangligi uning sharsimon shaklini tushuntiradi), ikkinchisi bo'linish bo'laklari orasidagi Kulonni qaytarishidir. Ular birgalikda potentsial to'siq yaratadilar.

Alfa parchalanishida bo'lgani kabi, uran atomining o'z -o'zidan bo'linishi uchun bo'laklar kvant tunnel yordamida bu to'siqni engib o'tishi kerak. To'siqning kattaligi alfa parchalanishida bo'lgani kabi taxminan 6 MeV ni tashkil qiladi, lekin alfa zarrachasining tunnellanish ehtimoli ancha og'irroq bo'lgan atom parchalanadigan mahsulotga qaraganda ancha katta.

Majburiy bo'linish

Uran yadrosining induktsiya bo'linishi ehtimoli ko'proq. Bunda ona yadrosi neytronlar bilan nurlanadi. Agar ota -ona uni o'zlashtirsa, u holda ular potentsial to'siqni engib o'tish uchun zarur bo'lgan 6 MeVdan oshib ketadigan tebranish energiyasi ko'rinishidagi majburiy energiyani chiqarib, bog'laydilar.

Agar qo'shimcha neytronning energiyasi potentsial to'siqni engib o'tish uchun etarli bo'lmasa, tushgan neytron atomlarning bo'linishini keltirib chiqarishi uchun minimal kinetik energiyaga ega bo'lishi kerak. 238 U holatida qo'shimcha neytronlarning bog'lanish energiyasi taxminan 1 MeV ga yetmaydi. Bu shuni anglatadiki, uran yadrosining bo'linishi faqat kinetik energiyasi 1 MeV dan yuqori bo'lgan neytron tomonidan qo'zg'aladi. Boshqa tomondan, 235 U izotopida bitta bog'lanmagan neytron bor. Yadro qo'shimcha narsani yutganda, u bilan juft hosil qiladi va bu juftlik natijasida qo'shimcha bog'lanish energiyasi paydo bo'ladi. Bu yadro uchun potentsial to'siqni engib o'tish uchun zarur bo'lgan energiya miqdorini chiqarish uchun etarli va izotopning bo'linishi har qanday neytron bilan to'qnashganda sodir bo'ladi.

Beta parchalanishi

Parchalanish reaktsiyasi paytida uch yoki to'rt neytron ajralib chiqishiga qaramay, bo'laklarda hali ham barqaror izobaralarga qaraganda ko'proq neytronlar mavjud. Bu shuni anglatadiki, parchalanish bo'laklari beta -parchalanishga nisbatan odatda beqaror.

Masalan, uran 238 U yadrosining bo'linishi sodir bo'lganda, A = 145 bo'lgan barqaror izobar neodimiy 145 Nd bo'ladi, demak lantan parchasi 145 La uch bosqichda parchalanadi, har safar elektron va antineytrino chiqarib turguncha. nuklid hosil bo'ladi. Zirkonyum 90 Zr-barqaror izobar, A = 90; shuning uchun brom 90 Br parchalanishidan parcha b-parchalanish zanjirining besh bosqichida parchalanadi.

Bu b-parchalanish zanjirlari qo'shimcha energiya chiqaradi, uni deyarli hamma elektronlar va antineutrinlar olib ketadi.

Yadro reaktsiyalari: uran yadrolarining bo'linishi

Yadroning barqarorligini ta'minlash uchun ularning ko'pligi bilan nukliddan neytronning to'g'ridan -to'g'ri chiqarilishi ehtimoldan yiroq emas. Bu erda nuqta shundaki, Kulonning qaytarilishi yo'q va shuning uchun sirt energiyasi ota -ona bilan bog'liq holda neytronni saqlab qolishga intiladi. Biroq, bu ba'zida sodir bo'ladi. Misol uchun, beta-parchalanishning birinchi bosqichida bo'linadigan 90 Br bo'linish fragmenti kripton-90 ni ishlab chiqaradi, bu sirt energiyasini yengish uchun etarli energiya bilan hayajonlangan holatda bo'lishi mumkin. Bunday holda, neytronlarning emissiyasi to'g'ridan-to'g'ri kripton-89 hosil bo'lishi bilan sodir bo'lishi mumkin. b-parchalanish bo'yicha barqaror ittriy-89 ga aylanmaguncha hali ham beqaror, shuning uchun kripton-89 uch bosqichda parchalanadi.

Uran yadrolarining bo'linishi: zanjirli reaktsiya

Parchalanish reaktsiyasida chiqarilgan neytronlarni boshqa ota -ona yadrosi o'zlashtirishi mumkin, keyinchalik u induktsiya bo'linishidan o'tadi. Uran -238 holatida paydo bo'lgan uchta neytron energiyasi 1 MeV dan kam bo'ladi (uran yadrosining parchalanishi paytida ajralib chiqadigan energiya - 158 MeV - asosan bo'linish qismlarining kinetik energiyasiga aylanadi), shuning uchun ular bu nuklidning keyingi bo'linishiga olib kela olmaydi. Shunga qaramay, kamdan -kam uchraydigan 235 U izotopi kontsentratsiyasida, bu erkin neytronlarni 235 U yadrolari ushlab olishi mumkin, bu esa bo'linishga olib kelishi mumkin, chunki bu holda bo'linish induktsiyalanmagan energiya chegarasi yo'q.

Bu zanjirli reaktsiya printsipi.

Yadro reaktsiyalarining turlari

Bu zanjirning n bosqichida bo'linadigan material namunasida ishlab chiqarilgan neytronlar sonini n - 1 bosqichda ishlab chiqarilgan neytron soniga bo'lsin. majburiy bo'linishga uchrashi mumkin bo'lgan yadro.

Agar 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.

Agar k> 1 bo'lsa, zanjir reaktsiyasi barcha bo'linadigan material ishlatilmaguncha o'sib boradi, bunga uran-235 ning etarli darajada yuqori konsentratsiyasini olish uchun tabiiy rudani boyitish orqali erishiladi. Sferik namuna uchun, s radiusiga bog'liq bo'lgan neytronning yutilish ehtimoli ortishi bilan k ning qiymati oshadi. Uranning yadrolari bo'linishi (zanjirli reaktsiya) sodir bo'lishi uchun U massasi ma'lum bir massadan oshib ketishi kerak.

Agar k = 1 bo'lsa, u holda boshqariladigan reaktsiya sodir bo'ladi. U neytronlarning ko'p qismini o'zlashtiradigan uran o'rtasida kadmiy yoki bor tayoqchalarining tarqalishi orqali boshqariladi (bu elementlar neytronlarni ushlash qobiliyatiga ega). Uran yadrosining bo'linishi tayoqlarni siljitish orqali avtomatik boshqariladi, shunda k qiymati birlikka teng bo'lib qoladi.

Uran yadrolarining bo'linishi sodir bo'ladi quyida bayon qilinganidek: birinchidan, neytron yadroga uriladi, xuddi olmaga tegadigan o'q kabi. Olma bo'lsa, o'q uning teshigini teshgan yoki parchalab tashlagan bo'lardi. Neytron yadroga tegsa, uni yadro kuchlari bosib oladi. Ma'lumki, neytron neytraldir, shuning uchun u elektrostatik kuchlar tomonidan qaytarilmaydi.

Uranning bo'linishi qanday sodir bo'ladi

Shunday qilib, yadro tarkibiga kirib, neytron muvozanatni buzadi va yadro qo'zg'aladi. U dumbbell yoki "cheksizlik" belgisi kabi yon tomonlarga cho'zilgan: ∞ ... Ma'lumki, yadro kuchlari zarrachalar hajmiga mos keladigan masofada harakat qiladi. Yadro cho'zilganida, yadro kuchlarining harakati "dumbbell" ning o'ta zarralari uchun ahamiyatsiz bo'lib qoladi, elektr kuchlari esa bunday masofada juda kuchli harakat qiladi va yadro ikki qismga bo'linadi. Bunday holda, hali ham ikki yoki uchta neytron chiqariladi.

Yadroning parchalari va ajralib chiqqan neytronlar turli yo'nalishlarda katta tezlikda tarqaladi. Parchalar atrof -muhit ta'sirida tezda sekinlashadi, lekin ularning kinetik energiyasi juda katta. U atrof -muhitning ichki energiyasiga aylanadi, u qiziydi. Shu bilan birga, chiqarilgan energiya miqdori juda katta. Bir gramm uranning to'liq bo'linishidan olingan energiya taxminan 2,5 tonna neft yoqish natijasida olingan energiyaga teng.

Bir nechta yadrolarning bo'linish zanjiri reaktsiyasi

Biz bitta uran yadrosining bo'linishini ko'rib chiqdik. Fission bir nechta (ko'pincha ikki yoki uch) neytronni chiqarib yubordi. Ular juda katta tezlikda uchib ketadilar va boshqa atomlarning yadrolariga osongina kirib, ular ichida bo'linish reaktsiyasini keltirib chiqaradilar. Bu zanjirli reaktsiya.

Ya'ni, yadroviy bo'linish natijasida olingan neytronlar qo'zg'atadi va boshqa yadrolarni bo'linishga majbur qiladi, bu esa o'z navbatida neytronlarni chiqaradi va ular keyingi bo'linishni rag'batlantirishda davom etadi. Va shunga o'xshash, yaqin atrofdagi barcha uran yadrolari bo'linmaguncha.

Bunday holda, zanjirli reaktsiya paydo bo'lishi mumkin ko'chki masalan, atom bombasi portlashi holatida. Qisqa vaqt ichida yadroviy chiqindilar soni eksponent sifatida ko'payadi. Biroq, zanjirli reaktsiya paydo bo'lishi mumkin va so'nishi bilan.

Gap shundaki, hamma neytronlar bo'linishga olib keladigan yadrolari bilan uchrashmaydi. Biz eslaganimizdek, moddaning ichida asosiy hajmni zarrachalar orasidagi bo'shliq egallaydi. Shuning uchun, ba'zi neytronlar yo'lda hech narsa bilan to'qnashmasdan, hamma materiya bo'ylab uchadilar. Va agar vaqt o'tishi bilan yadro bo'linishi kamaysa, reaktsiya asta -sekin yo'q bo'lib ketadi.

Yadro reaktsiyalari va uranning kritik massasi

Reaktsiya turini nima aniqlaydi? Uran massasidan. Massasi qanchalik katta bo'lsa, uchayotgan neytron o'z yo'lida shunchalik ko'p zarrachalarga uchraydi va yadroga kirish ehtimoli shuncha ko'p bo'ladi. Shuning uchun uranning "tanqidiy massasi" ajratiladi - bu minimal massa bo'lib, unda zanjirli reaktsiya mumkin.

Ishlab chiqarilgan neytronlar soni tashqariga chiqadigan neytronlar soniga teng bo'ladi. Va reaksiya moddaning butun hajmi tugaguncha taxminan bir xil tezlikda davom etadi. Bu atom elektr stantsiyalarida amalda qo'llaniladi va boshqariladigan yadroviy reaktsiya deb ataladi.

Yadro parchalanishi paytida energiyaning ajralib chiqishi. Boshqa yadroviy reaktsiyalarda bo'lgani kabi, bo'linish paytida ajralib chiqadigan energiya o'zaro ta'sir qiluvchi zarrachalar va yakuniy mahsulotlarning massalari farqiga teng. Urandagi nuklonning bog'lanish energiyasi uran bo'linishi paytida bir nuklonning bo'laklarga bog'lanish energiyasi bo'lgani uchun, energiya chiqarilishi kerak.

Shunday qilib, yadroning bo'linishi paytida juda ko'p energiya ajralib chiqadi, uning katta qismi bo'linish qismlarining kinetik energiyasi ko'rinishida chiqariladi.

Parchalanish mahsulotlarining ommaviy taqsimlanishi. Ko'p hollarda uran yadrosi assimetrik tarzda ajralib chiqadi. Ikki yadro parchasi mos ravishda har xil tezlik va har xil massaga ega.

Massalar bo'yicha bo'laklar ikki guruhga bo'linadi; biri kripton yaqinida, ikkinchisi ksenon yaqinida. Parchalarning massalari bir -biriga o'rtacha

Parchalanish mahsuloti rentabelligi egri chiziqdan o'tuvchi vertikal to'g'ri chiziqqa nisbatan nosimmetrikdir, maksimal chegaralarning katta kengligi bo'linish yo'llarining xilma -xilligini ko'rsatadi.

Guruch. 82. Uranning parchalanish mahsulotlarini massalar bo'yicha taqsimlanishi

Yuqorida sanab o'tilgan xususiyatlar asosan termal neytronlarning bo'linishi bilan bog'liq; bir oz yoki undan ko'p energiyaga ega bo'lgan neytronlar ta'sirida bo'linish sodir bo'lganda, yadro ko'proq nosimmetrik massali ikkita bo'lakka bo'linadi.

Mahsulotni ajratish xususiyatlari. Uran atomidan parchalanib ketganda, qobiqning juda ko'p elektronlari ajralib chiqadi va bo'linish bo'laklari taxminan ionlangan musbat ionlar bo'lib, ular moddadan o'tayotganda atomlarni kuchli ionlashtiradi. Shuning uchun havodagi bo'laklarning yo'llari kichik va 2 sm ga yaqin.

Parchalanish paytida hosil bo'ladigan bo'laklar radioaktiv bo'lishi va neytron chiqarishga moyil bo'lishi kerakligini aniqlash oson. Darhaqiqat, barqaror yadrolarda neytron va proton sonining nisbati A ga qarab quyidagicha o'zgaradi:

(skanerlashga qarang)

Parchalanish yadrolari stol o'rtasida joylashgan va shuning uchun ularning barqarorligi uchun maqbul bo'lganidan ko'proq neytron mavjud. Ular ortiqcha neytronlardan parchalanish orqali ham, to'g'ridan -to'g'ri neytron chiqarish orqali ham ozod bo'lishi mumkin.

Kechiktirilgan neytronlar. Parchalanishning mumkin bo'lgan variantlaridan birida radioaktiv brom hosil bo'ladi. Fig. 83 uning parchalanish sxemasini ko'rsatadi, uning oxirida barqaror izotoplar joylashgan

Bu zanjirning qiziq bir xususiyati: kriptonni qo'shimcha neytrondan ajratish mumkin, yoki u neytronning to'g'ridan -to'g'ri emissiyasi tufayli hayajonlangan holatda hosil bo'lgan. Bu neytronlar bo'linishdan 56 soniyadan keyin paydo bo'ladi (hayoti hayajonli holatga o'tishga nisbatan, garchi u neytronlarni deyarli bir zumda chiqaradi.

Guruch. 83. Uranning bo'linishi paytida qo'zg'aluvchan holatda hosil bo'lgan radioaktiv bromning parchalanish sxemasi.

Ularga kechiktirilgan neytronlar deyiladi. Vaqt o'tishi bilan, kechiktirilgan neytronlarning intensivligi oddiy radioaktiv parchalanishdagi kabi eksponent ravishda parchalanadi.

Bu neytronlarning energiyasi yadroning qo'zg'alish energiyasiga teng. Ular bo'linish paytida chiqarilgan neytronlarning atigi 0,75% ini tashkil etsa -da, kechiktirilgan neytronlar zanjirli reaksiyada muhim rol o'ynaydi.

Tez neytronlar. Neytronlarning 99% dan ortig'i juda qisqa vaqt ichida chiqariladi; ularni tez neytronlar deyiladi.

Parchalanish jarayonini o'rganayotganda, asosiy savol tug'iladi, bitta bo'linish harakatida nechta neytron ishlab chiqariladi; bu savol muhim, chunki agar ularning soni o'rtacha katta bo'lsa, ular keyingi yadrolarning bo'linishi uchun ishlatilishi mumkin, ya'ni zanjirli reaktsiyani yaratish imkoniyati paydo bo'ladi. 1939-1940 yillarda bu masalani hal qilishdan yuqori. dunyoning deyarli barcha yirik yadroviy laboratoriyalarida ishlagan.

Yadrolarning bo'linishi bilan bir atom yadrosidan massaga yaqin bo'lgan 2 (ba'zan 3) bo'lak yadrolari hosil bo'ladigan jarayon deyiladi.

Bu jarayon hamma uchun foydali β -massa soni A> 100 bo'lgan barqaror yadrolar.

Uran yadrolarining bo'linishi 1939 yilda Xan va Strassman tomonidan aniqlangan, ular uran yadrolari neytronlar bilan bombardimon qilinganini aniq isbotlagan. U radioaktiv yadrolar uran yadrosining massasi va zaryadining taxminan yarmiga teng bo'lgan massa va zaryadlardan iborat. Xuddi shu yili L. Meitner va O. Frischer « yadrolarning bo'linishi"Bu jarayonda juda katta energiya ajralib chiqadi va F. Joliot-Kyuri va E. Fermi bir vaqtning o'zida bo'linish bir nechta neytron chiqarishini aniqladilar. (bo'linish neytronlari)... Bu g'oyani ilgari surish uchun asos bo'ldi. bo'linishning o'zini o'zi ta'minlaydigan zanjirli reaktsiyasi va yadro bo'linishidan energiya manbai sifatida foydalanish. Yadro bo'linishi zamonaviy atom energiyasining asosidir 235 U va 239 Pu neytronlar ta'sirida.

Yadroning bo'linishi og'ir yadroning qolgan massasi bo'linish jarayonida paydo bo'ladigan bo'laklarning qolgan massalari yig'indisidan katta bo'lganligi sababli sodir bo'lishi mumkin.

Grafika shuni ko'rsatadiki, bu jarayon energiya nuqtai nazaridan foydali bo'ladi.

Yadro parchalanish mexanizmini tomchi modeli asosida tushuntirish mumkin, unga ko'ra nuklonlar to'plami zaryadlangan suyuqlik tomchisiga o'xshaydi. Yadro, protonlar o'rtasida harakat qiladigan va yadroni yorib yuborishga moyil bo'lgan, Kulonni qaytarish kuchlaridan kattaroq, yadroviy tortishish kuchlari tomonidan parchalanishdan saqlanadi.

Yadro 235 U to'p shakliga ega. Neytronni yutgandan so'ng, u qo'zg'aladi va deformatsiyalanadi, cho'zilgan shaklga ega bo'ladi (rasmda) b) va cho'zilgan yadroning yarmlari orasidagi itarish kuchlari istmusda harakat qiluvchi tortishish kuchlaridan kattaroq bo'lguncha cho'ziladi (rasmda) v). Shundan so'ng, yadro ikki qismga bo'linadi (rasmda) G). Parchalar, Kulonning qaytaruvchi kuchlari ta'siri ostida, yorug'lik tezligining 1/30 qismiga teng tezlikda uchib ketadi.

Parchalanish paytida neytronlarning emissiyasi, biz yuqorida aytib o'tganimizdek, yadrodagi nisbiy neytronlar soni (protonlar soniga nisbatan) atom sonining ortishi bilan ortadi va bo'linish paytida hosil bo'lgan bo'laklar uchun neytronlar soni ko'payadi. kichik sonli atom yadrolari uchun mumkin bo'lganidan ko'ra.

Parchalanish ko'pincha teng bo'lmagan massa bo'laklariga bo'linadi. Bu qismlar radioaktivdir. Serialdan keyin β -parchalanish, natijada turg'un ionlar hosil bo'ladi.

bundan mustasno majbur, bo'lib turadi uran yadrolarining o'z -o'zidan bo'linishi, 1940 yilda sovet fiziklari G.N.Flerov va K.A.Petrjak tomonidan kashf etilgan. O'z-o'zidan bo'linishning yarimparchalanish davri 10 16 yilni tashkil qiladi, bu uning yarim umridan 2 mln α -uran parchalanishi.

Yadrolarning birlashishi termoyadroviy reaktsiyalarda sodir bo'ladi. Termoyadroviy reaktsiyalar- Bu yorug'lik yadrolarining juda yuqori haroratda birlashishi reaktsiyalari. Birlashish (sintez) paytida ajralib chiqadigan energiya eng kam bog'lanish energiyasiga ega bo'lgan yorug'lik elementlarining sintezi paytida maksimal bo'ladi. Ikki yorug'lik yadrosi, masalan, deuterium va tritiy, birlashganda, bog'lanish energiyasi yuqori bo'lgan og'ir geliy yadrosi hosil bo'ladi:

Bunday yadroviy sintez jarayonida og'ir yadro va ikkita yorug'lik yadrosining bog'lanish energiyasidagi farqga teng bo'lgan muhim energiya (17,6 MeV) ajralib chiqadi. ... Reaksiyalar paytida hosil bo'lgan neytron bu energiyaning 70% ni oladi. Yadro bo'linishi (0,9 MeV) va termoyadroviy (17,6 MeV) reaktsiyalarida har bir nuklonga to'g'ri keladigan energiyani solishtirish shuni ko'rsatadiki, engil yadrolarning termoyadroviy reaktsiyasi og'ir yadrolarning bo'linish reaktsiyasiga qaraganda energetik jihatdan qulayroqdir.

Yadrolarning birlashishi yadroviy tortishish kuchlari ta'sirida sodir bo'ladi, shuning uchun ular yadro kuchlari harakat qiladigan 10 -14 dan kam masofalarga yaqinlashishlari kerak. Bu yaqinlashishni musbat zaryadlangan yadrolarni Kulon tomonidan qaytarilishi oldini oladi. Buni faqat yadrolarning yuqori kinetik energiyasi hisobiga yengish mumkin, bu ularning Kulonni qaytarish energiyasidan oshib ketadi. Tegishli hisob -kitoblardan ko'rinib turibdiki, termoyadroviy reaktsiya uchun zarur bo'lgan yadrolarning kinetik energiyasiga yuz millionlab darajadagi haroratda erishish mumkin, shuning uchun bu reaktsiyalar deyiladi. termoyadroviy.

Termoyadroviy sintezi- 10 7 K dan yuqori haroratda engil yadrolardan og'irroq yadrolar sintezlanadigan reaktsiya.

Termoyadroviy sintez barcha yulduzlar, shu jumladan Quyosh uchun energiya manbai hisoblanadi.

Yulduzlarda termoyadro energiyasi ajralib chiqishining asosiy jarayoni vodorodning geliyga aylanishidir. Bu reaksiyadagi ommaviy nuqson tufayli Quyosh massasi har soniyada 4 million tonnaga kamayadi.

Termoyadroviy termoyadroviy uchun zarur bo'lgan katta kinetik energiya, vodorod yadrolari yulduz markaziga kuchli tortishish kuchi natijasida olinadi. Shundan so'ng, geliy yadrolari birlashganda, og'ir elementlar ham hosil bo'ladi.

Termoyadroviy reaktsiyalar olamdagi moddaning kimyoviy tarkibi evolyutsiyasida asosiy rollardan birini o'ynaydi. Bu reaktsiyalarning hammasi yulduzlar tomonidan milliardlab yillar davomida yorug'lik shaklida chiqariladigan energiyaning chiqishi bilan sodir bo'ladi.

Boshqariladigan termoyadroviy sintezni amalga oshirish insoniyatga yangi, amalda tugamaydigan energiya manbasini beradi. Uni amalga oshirish uchun zarur bo'lgan deyteriy ham, tritiy ham tayyor. Birinchisi dengiz va okeanlar suvida (million yil foydalanish uchun etarli miqdorda), ikkinchisini neytronlar bilan suyuq lityumni (zaxiralari juda katta) nurlantirish orqali yadroviy reaktorda olish mumkin:

Boshqariladigan termoyadroviy termoyadroviyning eng muhim afzalliklaridan biri - uni amalga oshirishda radioaktiv chiqindilarning yo'qligi (og'ir uran yadrolarining bo'linish reaktsiyalaridan farqli o'laroq).

Boshqariladigan termoyadroviy termoyadroviyni amalga oshirishda asosiy to'siq kuchli magnit maydonlar yordamida 0,1-1 ga yuqori haroratli plazmani ushlab turishning mumkin emasligidir. Biroq, ertami -kechmi termoyadroviy reaktorlar yaratilishiga ishonch bor.

Hozircha faqat ishlab chiqarish mumkin edi nazoratsiz reaktsiya vodorod bombasida portlovchi turdagi birlashma.