Лекция 13. Цепная реакция деления ядер

Деление под действием нейтронов. История открытия.

Напомним, что в Лекции 10 рассматривался процесс спонтанного (самопроизвольного) деления тяжелых атомных ядер. Оказывается, деление ядер можно вызвать и искусственно, сообщив им извне такую энергию, чтобы образующиеся осколки смогли преодолеть потенциальный барьер. Наилучшим образом для этого подходит облучение нейтронами, так как между нейтронами и ядрами нет кулоновского отталкивания, и нейтроны легко проникают внутрь ядер, возбуждая их. Деление может идти и иод действием других частиц: фотонов, протонов, и т. д. Однако практического приложения эти реакции пока не нашли.

Начало работам, которые привели к открытию деления под действием нейтронов, было положено в 1934 г. Э. Ферми и его сотрудниками, которые обнаружили, что при облучении нейтронами урана образуется множество Ррадиоактивных ядер с разными периодами полураспада. Особое внимание было уделено двум периодам: 13 мин и 90 мин, так как среди элементов с атомными номерами от 86 до 92 не было известно ни одного изотопа с таким периодом полураспада. В связи с этим Ферми предположил, что р-излучснис исходит от элементов с Z = 93 и выше, г. е. трансурановых элементов.

Возможность образования трансурановых элементов вызвала большой интерес среди ученых и подверглась интенсивному исследованию. Наиболее детально реакция урана с нейтронами изучалась в 1936;1938 гг. О. Ганом, Ф. Штрассманом и Л. Мейтнер в Германии и И. Кюри и П. Савичем во Франции. Последние обнаружили среди продуктов радионуклид с периодом полураспада 3,5 ч. Исследование показало, что по всей совокупности своих химических свойств этот продукт является лантаном (Z = 57). Однако то, каким образом лантан получается из урана, Кюри и Савич объяснить не могли.

Проверив и подтвердив результаты Кюри и Савича, Ган и Шграссман независимым путем показали, что при облучении нейтронами урана (а также тория) действительно образуются изотопы химических элементов, лежащих гдето посередине периодической таблицы. К ним, в частности, относятся не только лантан, но также барий (Z = 56) и церий (Z= 58).

Природа наблюдаемого явления была понята лишь в 1939 г. Л. Мейтнер и О. Фришем.^[1] Они предположили, что возбужденное ядро урана или тория, образующееся при захвате нейтрона, делится на два почти одинаковых по массе осколка. Практически сразу же эта гипотеза была подтверждена опытами Фриша и (независимо) Ф. Жолио-Кюри, которым удалось экспериментально установить характер превращения: регистрируемые продукты реакции могли быть только ядрами с большими массами, зарядами, избытком нейтронов и огромной энергией. В отсутствие урана или источника нейтронов осколки не наблюдались, что говорило об их появлении только в самый момент реакции. С другой стороны, осколки наблюдались гораздо чаще, если между ураном и источником нейтронов помещали слой парафина.

Тогда же, в 1939 г. Н. Бором и Д. Уиллером (и независимо и даже несколько раньше Я.И. Френкелем) была разработана теория деления ядра. Ее основные положения применительно к спонтанному делению изложены в п. 10.2. Поэтому далее будем рассматривать особенности только вынужденного деления под действием нейтронов различных энергий.

• [1] Впервые гипотеза о делении (к сожалению, оставшаяся без внимания) была выдвинута в 1934 г. И. Ноддак: «Возможно, что при бомбардировке нейтронами тяжелых ядер последние разделяются нанесколько больших осколков, которые в действительности представляют собой изотопы известныхэлементов, но не являются соседями облучаемых элементов».