Реакция деления. 
Физика

Существует множество ядсрных реакций, но некоторые из них сыграли в истории человечества особую роль. Она связана с тем, что в результате ядерной реакции выделяется энергия, так как у дочерних ядер возрастает удельная энергия связи. Аналогия — тело, падающее на Землю, или рекомбинация положительного иона и электрона. Отсюда следует, что с выделением энергии должны происходить реакции, приводящие к увеличению А слева от максимума кривой на рис. 11.1, т. е. реакции синтеза, и уменьшению А справа от него, т. е. реакции деления. В качестве «снарядов», вызывающих реакцию деления, наиболее эффективны нейтроны: не имея заряда, они не испытывают кулоновского отталкивания от ядра и потому гораздо легче в него проникают.

В 1938 г. немецкие физики О. Ган (1879—1968) и Ф. Штрассман (1902—1980) доказали: при облучении нейтронами урана, находящегося в конце таблицы Менделеева, образуются барий и другие элементы из ее середины (Нобелевская премия 1944 г.). В следующем, 1939 г., английский физик О. Фриш (1904—1979) и австрийский физик Л. Мейтнер (1878—1968) объяснили этот результат реакцией деления (расщепления) ядра урана на примерно равные осколки. Теорию этого явления, основанную на представлении ядра как капли жидкости, разработал в том же 1939 г. советский теоретик Я. И. Френкель, а затем развили Н. Бор и американский физик Дж. Уиллер (1911—2008). При малых деформациях ядро-капля пульсирует, вытягиваясь и сжимаясь под влиянием противодействующих друг другу электростатических и ядерных сил. При сообщении ядру энергии активации амплитуда колебаний достигает критического значения, и оно разрывается. Это и осуществляет нейтрон, вносящий в ядро свою энергию связи и свою кинетическую энергию. Стадии деления ядра-капли схематично показаны на рис. 11.2.

Рис. 11.2.

У разных изотопов урана энергии активации различны. Изотоп при захвате нейтрона превращается в^U, энергия активации которого 6,6 МэВ. Поскольку энергия связи, внесенная нейтроном, составляет 6,8 МэВ, то для деления ядра достаточно нейтрона с нулевой кинетической энергией. Такие медленные, тепловые, нейтроны даже эффективнее, чем быстрые, так как дольше находятся вблизи ядра, от чего вероятность их захвата возрастает.

В природном уране, однако, преобладает изотоп ²^U, который при захвате нейтрона превращается в ²^U. Его энергия активации больше — 7 МэВ, а ?_{v l}, привнесенная нейтроном, меньше — 6 МэВ, так как ²³⁸U находится правее, чем ²³⁵U, на кривой рис. 11.1. Следовательно, для деления ²g⁸U нейтроны должны дополнительно иметь кинетическую энергию > 1 МэВ, т. е. этот изотоп делится быстрыми нейтронами. При облучении же медленными нейтронами происходит их захват без деления:

Возникающий в конце этой цепочки стабильный ²^Ри также применяют в качестве делящегося вещества. У него А больше, чем у ²9⁸U, по больше и Z, т. е. кулоновские силы, вызывающие нестабильность ядра, возрастают, поэтому для его деления достаточно и тепловых нейтронов.

Поскольку у ядра урана Е_ул — 7,6 МэВ, а у элементов, на которые он распадается, -8,7 МэВ, то на каждый нуклон высвобождается -1,1 МэВ, а их в ядре -200. Следовательно, при делении одного ядра выделяется -200 МэВ, а из ядер 1 г ²_t³³U можно получить 8* 10¹⁰ Дж! Это и есть та колоссальная энергия, которую предсказал Эйнштейн своей знаменитой формулой (2.44). Основная ее часть выделяется в виде кинетической энергии «осколков» ядра: на расстояниях, больших радиуса действия ядерных сил, их расталкивают огромные кулоновские силы. Важно и другое. В тяжелых ядрах на один протон приходится больше нейтронов, чем в средних и легких. Поэтому возникшие при делении осколки перегружены нейтронами, и от лишних они освобождаются. Например, при делении ²³⁵U выделяется в среднем 2,5, а ²³⁹Ри — 2,9 «лишних» нейтрона, каждый из которых также может быть возбудителем деления ядер.

В 1939 г. советские физики Я. Б. Зельдович и IO. Б. Харитон и независимо от них Э. Ферми, Л. Сциллард, Ф. Жолио-Кюри и Л. Мейтнер пришли к выводу о возможности осуществления цепной ядерной реакции, при которой должно возникнуть лавинообразное нарастание выделяющейся энергии. Такое же лавинообразное нарастание актов реакции происходит, например, при газовом разряде, возгорании рабочей смеси в цилиндре двигателя и т. д.

Для реализации идеи ядерного взрыва важно, что вероятность захвата нейтрона ядром существует лишь до тех пор, пока он пролетает сквозь толщу урана. Следовательно, вероятность генерации нейтронов пропорциональна объему куска урана (V— J?³), а вероятность их потери — площади его поверхности (5 ~ R²). Из этих соотношений следует, что для осуществления взрыва нужно увеличивать R — существует некая минимальная масса (объем) урана, меньше которой ценная реакция деления не возникнет. Ее назвали критической массой и определяли путем весьма опасных экспериментов, чреватых взрывом и подвергавших людей радиации. Для ²³⁹Ри критическая масса составляет ~17 кг.

Здесь важны форма изделия, плотность материала и процентное содержание примесей, которые могут захватывать нейтроны без деления. Сумму всех этих факторов характеризует коэффициент k размножения нейтронов. Он равен отношению числа нейтронов в последующем звене реакции к их числу в предыдущем ее звене. Очевидно, что при k < 1 реакция затухает; при k = 1 число нейтронов остается постоянным, и реакция является само— поддерживающейся (критический режим), а при k > 1 реакция развивается в виде цепной.

Возникла впечатляющая перспектива: самоподдерживающаяся реакция деления может стать неслыханным по эффективности стационарным источником энергии, а цепная — оружием, мощность которого в значительной степени превзойдет мощность динамита, изобретенного А. Нобелем в 1866 г.