A. Деление урана

Деление ядер урана

Деление ядер урана было открыто в 1938 г. немецкими учеными О. Ганом и Ф. Штрассманом. Им удалось установить, что при бомбардировке ядер урана нейтронами образуются элементы средней части периодической системы: барий, криптон и др. Правильное толкование этому факту дали австрийский физик Л. Мейтнер и английский физик О. Фриш. Они объяснили появление этих элементов распадом ядер урана на две примерно равные части. Это явление получило название деления ядер, а образующиеся ядра — осколков деления.

Объяснить эту реакцию деления можно основываясь на капельной модели ядра. В этой модели ядро рассматривается как капля электрически заряженной несжимаемой жидкости. Кроме ядерных сил, действующих между всеми нуклонами ядра, протоны испытывают дополнительное электростатическое отталкивание, вследствие которого они располагаются на периферии ядра. В невозбужденном состоянии силы электростатического отталкивания скомпенсированы, поэтому ядро имеет сферическую форму (рис. 22.7, а).

Рис. 22.7

После захвата ядром \(_{92}^{235}U\) нейтрона образуется промежуточное ядро \(\left(_{92}^{235}U\right)^*,\) которое находится в возбужденном состоянии. При этом энергия нейтрона равномерно распределяется между всеми нуклонами, а само промежуточное ядро деформируется и начинает колебаться. Если возбуждение невелико, то ядро (рис. 22.7, б), освобождаясь от излишка энергии путем испускания \(~\gamma\)-кванта или нейтрона, возвращается в устойчивое состояние. Если же энергия возбуждения достаточно велика, то деформация ядра при колебаниях может быть настолько большой, что в нем образуется перетяжка (рис. 22.7, в), аналогичная перетяжке между двумя частями раздваивающейся капли жидкости. Ядерные силы, действующие в узкой перетяжке, уже не могут противостоять значительной кулоновской силе отталкивания частей ядра. Перетяжка разрывается, и ядро распадается на два "осколка" (рис. 22.7 г), которые разлетаются в противоположные стороны.

Осколки деления редко бывают одинаковыми: чаще всего один из них примерно в 1,5 раза тяжелее другого (массы осколков относятся как 3:2). Продукты деления ядра урана могут быть разнообразными (криптон и барий, цезий и рубидий и т.д.). Типичная реакция деления

\(~<math>_{92}^{235}U+_0^1n\to\left(_{92}^{235}U\right)^*\to_{56}^{144}Ba+_{36}^{89}Kr+3_0^1n.\)</math>

При делении ядер тяжелых атомов \((_{92}^{235}U)\) выделяется очень большая энергия — около 200 МэВ при делении каждого ядра. Это объясняется тем, что удельная энергия связи в "осколочных" ядрах значительно больше, чем в ядре урана. Около 80 % этой энергии выделяется в виде кинетической энергии осколков; остальные 20 % приходятся на энергию радиоактивного излучения осколков и кинетическую энергию мгновенных нейтронов.

Особенно важно, что в результате распада ядра урана выделяется 2—3 новых нейтрона. Это объясняется тем, что в тяжелых атомных ядрах процентное содержание нейтронов значительно больше, чем в ядрах элементов средней части таблицы Менделеева. Эти вторичные нейтроны могут вызвать деление других ядер и привести к цепной реакции деления: число делящихся ядер очень быстро увеличивается (рис. 22.8). Цепная реакция будет при определенных условиях поддерживаться без внешнего облучения урана нейтронами.

Рис. 22.8

Цепная реакция — ядерная реакция, в которой частицы, вызывающие реакцию, образуются как продукты этой реакции.

Деление ядер природного урана происходит благодаря изотопу \(_{92}^{235}U,\) который в естественном уране составляет всего \(~\frac{1}{140}\) долю от более распространенного \(_{92}^{238}U.\) При этом деление \(_{92}^{238}U\) вызывают медленные нейтроны.

Оказалось. что ядра урана \(_{92}^{235}U\) тоже могут делиться, но для этого нужны быстрые нейтроны, обладающие энергией более 1,1 МэВ. Иначе

энергия возбуждения образовавшихся ядер \(_{92}^{239}U\) оказывается недостаточной для деления, и тогда вместо деления происходят ядерные реакции:

\(~_{92}^{238}U+_0^1n\to_{92}^{239}U \longrightarrow _{93}^{239}Np + _{-1}^0e.\)

Изотоп урана \(_{92}^{239}U\) \(~\beta\)-радиоактивен, период полураспада 23 мин. Изотоп нептуния \(_{93}^{239}Np\) тоже радиоактивен, период полураспада около 2 дней.

\(~_{93}^{239}Np \longrightarrow _{-1}^0e+_{94}^{239}Pu.\)

Изотоп плутония \(_{94}^{239}Pu\) относительно стабилен, период полураспада 24 ООО лет. Важнейшее свойство плутония состоит в том, что он делится под влиянием нейтронов так же, как \(_{92}^{235}U.\) Поэтому с помощью \(_{94}^{239}Pu\) может быть осуществлена цепная реакция.

Рассмотренная выше схема цепной реакции представляет собой идеальный случай. В реальных условиях не все образующиеся при делении нейтроны участвуют в делении других ядер. Часть их захватывается неделящимися ядрами посторонних атомов, другие вылетают из урана наружу (утечка нейтронов).

Поэтому цепная реакция деления тяжелых ядер возникает не всегда и не при любой массе урана.

Развитие цепной реакции характеризуется так называемым коэффициентом размножения нейтронов К, который измеряется отношением числа N_i, нейтронов, вызывающих деление ядер вещества на одном из этапов реакции, к числу N_i нейтронов, вызвавших деление на предыдущем этапе реакции:

\(~K = \frac{N_i}{N_{i-1}}.\)

Коэффициент размножения зависит от ряда факторов, в частности от природы и количества делящегося вещества, от геометрической формы занимаемого им объема. Одно и то же количество данного вещества имеет разное значение К. К максимально, если вещество имеет шарообразную форму, поскольку в этом случае потеря мгновенных нейтронов через поверхность будет наименьшей.

Масса делящегося вещества, в котором цепная реакция идет с коэффициентом размножения К = 1, называется критической массой.

Значение критической массы определяется геометрией физической системы, ее структурой и внешним окружением. Так, для шара из чистого урана \(_{92}^{235}U\) критическая масса равна 47 кг (шар диаметром 17 см). Но если между слоями урана находятся многочисленные тонкие полиэтиленовые пленки и шар окружен бериллиевой оболочкой, то критическая масса снижается до 242 г (шар диаметром 3 см).

При коэффициенте размножения К = 1 число делящихся ядер поддерживается на постоянном уровне. Такой режим обеспечивается в ядерных реакторах.

Если масса ядерного топлива меньше критической массы, то коэффициент размножения К < 1; каждое новое поколение вызывает все меньшее и меньшее число делений, и реакция без внешнего источника нейтронов быстро затухает.

Если же масса ядерного топлива больше критической, то коэффициент размножения К > 1 и каждое новое поколение нейтронов вызывает все большее число делений. Цепная реакция лавинообразно нарастает и имеет характер взрыва, сопровождающегося огромным выделением энергии и повышением температуры окружающей среды до нескольких миллионов градусов. Цепная реакция такого рода происходит при взрыве атомной бомбы.

Литература

Аксенович Л. А. Физика в средней школе: Теория. Задания. Тесты: Учеб. пособие для учреждений, обеспечивающих получение общ. сред, образования / Л. А. Аксенович, Н.Н.Ракина, К. С. Фарино; Под ред. К. С. Фарино. — Мн.: Адукацыя i выхаванне, 2004. — С. 621-624.