Деление ядер. 
Физика: оптика. 
Элементы атомной и ядерной физики. 
Элементарные частицы

Изучение взаимодействия нейтронов с веществом привело к открытию ядерных реакций нового типа. В 1939 г. О. Ган и Ф. Штрассман исследовали химические продукты, получающиеся при бомбардировке нейтронами ядер урана. Среди продуктов реакции был обнаружен барий — химический элемент с массой много меньше, чем масса урана. Задача была решена немецкими физиками Л. Мейтнером и О. Фришем, показавшими, что при поглощении нейтронов ураном происходит деление ядра на два осколка:

где k > 1.

При делении ядра урана тепловой нейтрон с энергией ~ 0,1 эВ освобождает энергию ~ 200 МэВ. Существенным моментом является то, что этот процесс сопровождается появлением нейтронов, способных вызывать деление других ядер урана, — цепная реакция деления. Таким образом, один нейтрон может дать начало разветвленной цепи делений ядер, причем число ядер, участвующих в реакции деления, будет экспонснциально возрастать. Открылись перспективы использования цепной реакции деления в двух направлениях:

• • управляемая ядерная реакция деления — создание атомных реакторов;
• • неуправляемая ядерная реакция деления — создание ядерного оружия.

Следствием зависимости удельной энергии связи от А (рис. 3.4.2) является существование двух процессов — синтеза и деления ядер. Рассмотрим взаимодействие электрона и протона. При образовании атома водорода высвобождается энергия 13,6 эВ, и масса атома водорода оказывается на 13,6 эВ меньше суммы масс свободного электрона и протона. Аналогично масса двух легких ядер превышает массу после их соединения на AM. Если их соединить, то они сольются с выделением энергии АМс². Этот процесс называется синтезом ядер. Разность масс может превышать 0,5%.

Если расщепляется тяжелое ядро на два более легких ядра, то их масса будет меньше массы родительского ядра на 0,1%. У тяжелых ядер существует тенденция к делению на два более легких ядра с выделением энергии. Энергия атомной бомбы и ядерного реактора представляет собой энергию, высвобождающуюся при делении ядер. Энергия водородной бомбы — это энергия, выделяющаяся при ядерном синтезе.

В среднем при делении урана высвобождается энергия 200 МэВ. Масса покоя ядра урана — 2,2* 10⁵ МэВ. В энергию превращается около 0,1% этой массы, что равно отношению 200 МэВ к величине 2,2* 10^ МэВ.

Оценка энергии, освобождающейся при делении, может быть получена из формулы Вайцзеккера

При делении ядра на два осколка изменяются поверхностная энергия Е_п = а₂Л²' и кулоновская энергия Е_к = a₃Z² / А¹'³, причем поверхностная энергия увеличивается, а кулоновская — уменьшается. Деление возможно в том случае, когда высвобождающаяся при делении энергия Е > 0:

Здесь А=А!2 Z =Z/2. Отсюда получим, что деление энергетически выгодно, когда Z²!A > 17. Величина Z²!A называется параметром делимости. Энергия ?, освобождающаяся при делении, растет с увеличением Z~IA.

В процессе деления ядро изменяет форму — последовательно проходит через следующие стадии (рис. 4.1.5): шар, эллипсоид, гантель, два грушевидных осколка, два сферических осколка.

Массы осколков, образующихся при делении тепловыми нейтронами, не равны. Ядро стремится разделиться таким образом, чтобы основная часть нуклонов осколка образовала устойчивый магический остов. На рис. 4.1.6 приведено распределение по массам при делении ²³⁵U. Наиболее вероятная комбинация массовых чисел — 95 и 139.

Рис. 4.1.5.

Рис. 4.1.6

Отношение числа нейтронов к числу протонов в ядре ²³⁵ U равно 1,55, в то время как у стабильных элементов, имеющих массу, близкую к массе осколков деления, это отношение составляет 1,25… 1,45. Следовательно, осколки деления сильно перегружены нейтронами и неустойчивы к p-распаду — радиоактивны.

В результате деления ядра высвобождается энергия — 200 МэВ. Около 80% ее приходится на энергию осколков. За один акт деления образуется более двух нейтронов деления со средней энергией ~ 2 МэВ.

В 1 г любого вещества содержится тс² = 9 • 10¹³ Дж. Деление 1 г урана сопровождается выделением ~ 9−10¹⁰ Дж. Это почти в 3 млн раз превосходит энергию сжигания 1 г угля (2,9* 10⁴ Дж). Конечно, 1 г урана обходится значительно дороже 1 г угля, но стоимость 1 Дж энергии, полученной сжиганием угля, оказывается в 400 раз выше, чем в случае уранового топлива.

Благодаря ценной реакции процесс деления ядер можно сделать самоподдерживающимся. При каждом делении вылетают два или три нейтрона (рис. 4.1.7). Если одному из этих нейтронов удастся вызвать деление другого ядра урана, то процесс будет самоподдерживающимся.

Совокупность делящегося вещества, удовлетворяющая этому требованию, называется критической сборкой. Первая такая сборка, названная ядерным реактором (рис. 4.1.8), была построена в 1942 г. под руководством Энрико Ферми на территории Чикагского университета.

Рис. 4.1.7.

В СССР первый ядерный реактор был запущен в 1946 г. под руководством И. В. Курчатова в Москве. Первая атомная электростанция мощностью 5 МВт была пущена в 1954 г. в г. Обнинске (рис. 4.1.9).

Массу ²³⁵ U и ²³⁹Ри можно также сделать надкритической. В этом случае возникающие при делении нейтроны будут вызывать несколько вторичных делений. Поскольку нейтроны движутся со скоростями, превышающими 10^s см/с, надкритическая сборка может полностью прореагировать (или разлететься) быстрее, чем за тысячную долю секунды. Такое устройство называется атомной бомбой. Ядерный заряд из плутония или урана переводят в надкритическое состояние обычно с помощью взрыва. Подкритическую массу окружают химической взрывчаткой. При ее взрыве плутониевая или урановая масса подвергается мгновенному сжатию. Поскольку плотность сферы при этом значительно возрастает, скорость поглощения нейтронов оказывается выше скорости потери нейтронов за счет их вылета наружу. В этом и заключается условие надкритичности.

Рис. 4.1.8.

Рис. 4.1.9.

На рис. 4.1.10 изображена схема атомной бомбы «Малыш», сброшенной на Хиросиму. Ядерной взрывчаткой в бомбе служил ²³⁵ U, разделенный на две части, масса которых была меньше критической. Необходимая для взрыва критическая масса ²³⁵ U создавалась в результате соединения обеих частей «методом пушки» с помощью обычной взрывчатки.

Рис. 4.1.10.

При взрыве 1 т тринитротолуола (ТНТ) высвобождается 10⁹ кал, или 410⁹ Дж. При взрыве атомной бомбы, расходующей 1 кг плутония ²³⁵U, высвобождается около 8* 10¹³ Дж энергии. Это почти в 20 000 раз больше, чем при взрыве 1 т ТНТ. Такая бомба называется 20- килотонной бомбой. Современные бомбы мощностью в мегатонны в миллионы раз мощнее обычной ТНТ-взрывчатки.

Производство плутония основано на облучении «U нейтронами, ведущем к образованию изотопа ³⁹U, который в результате бега;

2⁰.

распада превращается в Np, а затем, после еще одного бета-распада, в ²³⁹Ри. При поглощении нейтрона с малой энергией оба изотопа (^23>U и ²³⁹Ри) испытывают деление. Продукты деления характеризуются более сильной связью (~ 1 МэВ на нуклон), благодаря чему в результате деления высвобождается примерно 200 МэВ энергии.

Каждый грамм израсходованного плутония или урана порождает почти грамм радиоактивных продуктов деления, обладающих огромной радиоактивностью.