Inti uranium sedang mengalami fisi. Radioaktivitas

Pada tahun 1934, E. Fermi memutuskan untuk memperoleh unsur transuranium dengan menyinari 238 U dengan neutron. Gagasan E. Fermi adalah bahwa sebagai hasil peluruhan β - isotop 239 U, terbentuk suatu unsur kimia dengan nomor atom Z = 93. Namun, pembentukan unsur ke-93 tidak dapat diidentifikasi. Sebaliknya, sebagai hasil analisis radiokimia unsur radioaktif, yang dilakukan oleh O. Hahn dan F. Strassmann, ditunjukkan bahwa salah satu produk iradiasi uranium dengan neutron adalah barium (Z = 56) - suatu unsur kimia dengan berat atom rata-rata, sedangkan menurut asumsi Fermi teori, unsur transuranium seharusnya diperoleh.
L. Meitner dan O. Frisch mengemukakan bahwa akibat penangkapan neutron oleh inti uranium, inti gabungan terpecah menjadi dua bagian.

92 U + n → 56 Ba + 36 Kr + xn.

Proses fisi uranium disertai dengan munculnya neutron sekunder (x > 1) yang mampu menyebabkan fisi inti uranium lainnya, sehingga membuka potensi terjadinya reaksi fisi berantai - satu neutron dapat menimbulkan reaksi fisi bercabang. rantai fisi inti uranium. Dalam hal ini, jumlah inti fisi akan meningkat secara eksponensial. N. Bohr dan J. Wheeler menghitung energi kritis yang diperlukan agar inti 236 U, yang terbentuk sebagai hasil penangkapan neutron oleh isotop 235 U, dapat terpecah. Nilai ini adalah 6,2 MeV, lebih kecil dari energi eksitasi isotop 236 U yang terbentuk selama penangkapan neutron termal sebesar 235 U. Oleh karena itu, ketika neutron termal ditangkap, reaksi berantai fisi 235 U dapat terjadi isotop paling umum 238 U, energi kritisnya adalah 5,9 MeV, sedangkan ketika neutron termal ditangkap, energi eksitasi inti 239 U yang dihasilkan hanya 5,2 MeV. Oleh karena itu, reaksi berantai fisi isotop paling umum di alam, 238 U, di bawah pengaruh neutron termal menjadi tidak mungkin. Dalam satu peristiwa fisi, energi dilepaskan sebesar ≈ 200 MeV (sebagai perbandingan pada reaksi kimia pembakaran dalam satu peristiwa reaksi melepaskan energi ≈ 10 eV). Kemungkinan menciptakan kondisi untuk reaksi berantai fisi telah membuka prospek penggunaan energi reaksi berantai untuk penciptaan reaktor nuklir Dan senjata atom. Reaktor nuklir pertama dibangun oleh E. Fermi di Amerika Serikat pada tahun 1942. Di Uni Soviet, reaktor nuklir pertama diluncurkan di bawah kepemimpinan I. Kurchatov pada tahun 1946. Pada tahun 1954, pembangkit listrik tenaga nuklir pertama di dunia mulai beroperasi di Obninsk. Saat ini, energi listrik dihasilkan di sekitar 440 reaktor nuklir di 30 negara.
Pada tahun 1940, G. Flerov dan K. Petrzhak menemukan fisi spontan uranium. Kompleksitas percobaan dibuktikan dengan gambar-gambar berikut. Waktu paruh parsial dalam kaitannya dengan fisi spontan isotop 238 U adalah 10 16 –10 17 tahun, sedangkan waktu peluruhan isotop 238 U adalah 4,5∙10 9 tahun. Saluran peluruhan utama isotop 238 U adalah peluruhan α. Untuk mengamati fisi spontan isotop 238 U, perlu dicatat satu peristiwa fisi dengan latar belakang 10 7 –10 8 peristiwa peluruhan α.
Kemungkinan terjadinya fisi spontan terutama ditentukan oleh permeabilitas penghalang fisi. Kemungkinan terjadinya fisi spontan meningkat seiring dengan meningkatnya muatan inti, karena dalam hal ini, parameter pembagian Z 2 /A meningkat. Dalam isotop Z< 92-95 деление происходит преимущественно с образованием двух осколков деления с отношением масс тяжёлого и лёгкого осколков 3:2. В изотопах Z >100, fisi simetris mendominasi dengan pembentukan fragmen dengan massa yang sama. Ketika muatan inti meningkat, proporsi fisi spontan dibandingkan dengan peluruhan α meningkat.

Fisi nuklir. Cerita

1934− E. Fermi, menyinari uranium dengan neutron termal, ditemukan di antara produk reaksi inti radioaktif, yang sifatnya tidak dapat ditentukan.
L. Szilard mengemukakan gagasan tentang reaksi berantai nuklir.

1939− O. Hahn dan F. Strassmann menemukan barium di antara produk reaksi.
L. Meitner dan O. Frisch adalah orang pertama yang mengumumkan bahwa di bawah pengaruh neutron, uranium terbagi menjadi dua fragmen dengan massa yang sebanding.
N. Bohr dan J. Wheeler memberikan interpretasi kuantitatif fisi nuklir dengan memperkenalkan parameter fisi.
Ya.Frenkel mengembangkan teori tetesan fisi nuklir oleh neutron lambat.
L. Szilard, E. Wigner, E. Fermi, J. Wheeler, F. Joliot-Curie, Y. Zeldovich, Y. Khariton memperkuat kemungkinan terjadinya reaksi berantai fisi nuklir di uranium.

1940− G. Flerov dan K. Pietrzak menemukan fenomena fisi spontan inti uranium U.

1942− E. Fermi melakukan reaksi berantai fisi terkontrol di reaktor atom pertama.

1945− Tes pertama senjata nuklir(Nevada, AS). Pada kota-kota Jepang Bom atom dijatuhkan oleh pasukan Amerika di Hiroshima (6 Agustus) dan Nagasaki (9 Agustus).

1946− Di bawah kepemimpinan I.V. Kurchatov, reaktor pertama di Eropa diluncurkan.

1954− Pembangkit listrik tenaga nuklir pertama di dunia diluncurkan (Obninsk, USSR).

Fisi nuklir.Sejak tahun 1934, E. Fermi mulai menggunakan neutron untuk membombardir atom. Sejak itu, jumlah inti stabil atau radioaktif yang diperoleh melalui transformasi buatan telah meningkat hingga ratusan, dan hampir di semua tempat tabel periodik diisi dengan isotop.
Atom-atom yang muncul dalam semua reaksi nuklir ini menempati tempat yang sama dalam tabel periodik dengan atom yang dibombardir, atau tempat-tempat yang berdekatan. Oleh karena itu, pembuktian Hahn dan Strassmann pada tahun 1938 bahwa ketika dibombardir dengan neutron pada unsur terakhir tabel periodik menimbulkan sensasi yang luar biasa.−uranium−terjadi penguraian menjadi unsur-unsur yang berada di bagian tengah tabel periodik. Mereka tampil di sini berbagai jenis membusuk. Atom-atom yang dihasilkan sebagian besar tidak stabil dan segera meluruh lebih lanjut; beberapa memiliki waktu paruh yang diukur dalam hitungan detik, jadi Gan harus menggunakannya metode analitis Curie untuk memperpanjang proses yang begitu cepat. Penting untuk dicatat bahwa unsur-unsur hulu uranium, protaktinium dan thorium, juga menunjukkan peluruhan serupa ketika terkena neutron, meskipun peluruhan membutuhkan waktu lebih lama untuk dimulai. energi tinggi neutron dibandingkan dengan uranium. Bersamaan dengan ini, pada tahun 1940, G. N. Flerov dan K. A. Petrzhak menemukan fisi spontan inti uranium dengan waktu paruh terbesar yang diketahui sampai saat itu: sekitar 2· 10 15 tahun; fakta ini menjadi jelas karena neutron yang dilepaskan selama proses ini. Hal ini memungkinkan untuk memahami mengapa tabel periodik “alami” diakhiri dengan tiga unsur yang disebutkan. Unsur-unsur transuranium kini telah dikenal, tetapi unsur-unsur tersebut sangat tidak stabil sehingga cepat membusuk.
Fisi uranium melalui neutron kini memungkinkan penggunaan energi atom, yang banyak orang bayangkan sebagai “impian Jules Verne”.

M. Laue, “Sejarah Fisika”

1939 O. Hahn dan F. Strassmann, saat menyinari garam uranium dengan neutron termal, menemukan barium (Z = 56) di antara produk reaksi

Otto Gan (1879 – 1968)

Fisi nuklir adalah pembelahan inti menjadi dua (jarang tiga) inti dengan massa serupa, yang disebut fragmen fisi. Selama fisi, partikel lain juga muncul - neutron, elektron, partikel α. Sebagai hasil fisi, energi sebesar ~200 MeV dilepaskan. Fisi dapat terjadi secara spontan atau dipaksakan oleh pengaruh partikel lain, paling sering neutron.
Fitur karakteristik fisi adalah bahwa fragmen fisi, sebagai suatu peraturan, berbeda secara signifikan dalam massanya, yaitu fisi asimetris mendominasi. Jadi, dalam kasus fisi isotop uranium 236 U yang paling mungkin terjadi, rasio massa fragmen adalah 1,46. Fragmen berat mempunyai nomor massa 139 (xenon), dan fragmen ringan memiliki nomor massa 95 (strontium). Dengan mempertimbangkan emisi dua neutron cepat, reaksi fisi yang dipertimbangkan memiliki bentuk

Hadiah Nobel Kimia
1944 – O.Gan.
Untuk penemuan reaksi fisi inti uranium oleh neutron.

Fragmen fisi

Ketergantungan massa rata-rata kelompok fragmen ringan dan berat pada massa inti fisil.

Penemuan fisi nuklir. 1939

Saya tiba di Swedia, di mana Lise Meitner menderita kesepian, dan saya, seperti seorang keponakan yang berbakti, memutuskan untuk mengunjunginya pada hari Natal. Dia tinggal di hotel kecil Kungälv dekat Gothenburg. Saya menemukannya saat sarapan. Dia memikirkan surat yang baru saja dia terima dari Gan. Saya sangat skeptis dengan isi surat yang mengabarkan terbentuknya barium ketika uranium diiradiasi dengan neutron. Namun, dia tertarik dengan kesempatan itu. Kami berjalan di salju, dia berjalan kaki, saya bermain ski (dia berkata bahwa dia bisa melakukannya tanpa tertinggal di belakang saya, dan dia membuktikannya). Di akhir perjalanan kami sudah dapat merumuskan beberapa kesimpulan; inti tidak terbelah, dan potongan-potongannya tidak beterbangan, tetapi ini adalah proses yang lebih mengingatkan pada model tetesan inti Bohr; seperti setetes, inti atom dapat memanjang dan membelah. Saya kemudian meneliti caranya muatan listrik nukleon mengurangi tegangan permukaan, yang, seperti yang dapat saya temukan, turun menjadi nol pada Z = 100 dan mungkin sangat rendah untuk uranium. Lise Meitner bekerja untuk menentukan energi yang dilepaskan selama setiap peluruhan akibat cacat massa. Dia sangat jelas tentang kurva cacat massal. Ternyata karena tolakan elektrostatis, unsur fisi akan memperoleh energi sekitar 200 MeV, dan ini sama persis dengan energi yang terkait dengan cacat massa. Oleh karena itu, proses tersebut dapat berjalan secara klasikal tanpa menerapkan konsep melewati penghalang potensial, yang tentu saja tidak akan berguna di sini.
Kami menghabiskan dua atau tiga hari bersama selama Natal. Kemudian saya kembali ke Kopenhagen dan hampir tidak punya waktu untuk memberi tahu Bohr tentang ide kami pada saat dia sudah menaiki kapal yang berangkat ke AS. Saya ingat bagaimana dia menampar keningnya segera setelah saya mulai berbicara dan berseru: “Oh, betapa bodohnya kami! Kita seharusnya menyadari hal ini lebih awal." Tapi dia tidak menyadarinya, dan tidak ada yang menyadarinya.
Lise Meitner dan saya menulis artikel. Pada saat yang sama, kami terus berkomunikasi melalui telepon jarak jauh dari Kopenhagen ke Stockholm.

O. Frisch, Memoar. UFN. 1968. T. 96, edisi 4, hal. 697.

Fisi nuklir spontan

Dalam percobaan yang dijelaskan di bawah ini, kami menggunakan metode yang pertama kali diusulkan oleh Frisch untuk merekam proses fisi nuklir. Ruang ionisasi dengan pelat yang dilapisi lapisan uranium oksida dihubungkan ke penguat linier yang dikonfigurasi sedemikian rupa sehingga partikel α yang dipancarkan dari uranium tidak terdeteksi oleh sistem; impuls dari fragmen, yang besarnya jauh lebih besar daripada impuls dari partikel α, membuka kunci keluaran thyratron dan dianggap sebagai relai mekanis.
Ruang ionisasi dirancang khusus dalam bentuk multilayer kapasitor datar Dengan luas keseluruhan 15 pelat dalam 1000 cm Pelat yang terletak pada jarak 3 mm satu sama lain dilapisi dengan lapisan uranium oksida 10-20 mg/cm. 2 .
Dalam percobaan pertama dengan penguat yang dikonfigurasi untuk menghitung fragmen, dimungkinkan untuk mengamati pulsa spontan (tanpa adanya sumber neutron) pada relai dan osiloskop. Jumlah pulsa ini kecil (6 dalam 1 jam), dan oleh karena itu dapat dimengerti bahwa fenomena ini tidak dapat diamati dengan kamera jenis biasa...
Kita cenderung berpikir seperti itu efek yang kami amati seharusnya disebabkan oleh pecahan yang dihasilkan dari fisi spontan uranium...

Fisi spontan harus dikaitkan dengan salah satu isotop U yang tidak tereksitasi dengan waktu paruh yang diperoleh dari evaluasi hasil kami:

kamu 238 – 10 16 ~ 10 17 bertahun-tahun,
kamu 235 – 10 14 ~ 10 15 bertahun-tahun,
kamu 234 – 10 12 ~ 10 13 bertahun-tahun.

Peluruhan isotop 238 kamu

Fisi nuklir spontan

Waktu paruh isotop fisil spontan Z = 92 - 100

Pertama sistem eksperimental dengan kisi uranium-grafit dibangun pada tahun 1941 di bawah kepemimpinan E. Fermi. Itu adalah kubus grafit dengan panjang rusuk 2,5 m, berisi sekitar 7 ton uranium oksida, dibungkus dalam bejana besi, yang ditempatkan di dalam kubus dengan jarak yang sama satu sama lain. Sumber neutron RaBe ditempatkan di bagian bawah kisi uranium-grafit. Koefisien reproduksi dalam sistem seperti itu adalah ≈ 0,7. Uranium oksida mengandung 2 hingga 5% pengotor. Upaya lebih lanjut ditujukan untuk mendapatkan bahan yang lebih murni dan pada Mei 1942, uranium oksida diperoleh, dengan pengotor kurang dari 1%. Untuk memastikan reaksi berantai fisi, perlu menggunakan grafit dan uranium dalam jumlah besar - sekitar beberapa ton. Pengotornya harus kurang dari beberapa bagian per juta. Reaktor tersebut, yang dirakit pada akhir tahun 1942 oleh Fermi di Universitas Chicago, berbentuk bola tidak lengkap yang terpotong dari atas. Isinya 40 ton uranium dan 385 ton grafit. Pada malam hari tanggal 2 Desember 1942, setelah batang penyerap neutron dilepas, diketahui terjadi reaksi berantai di dalam reaktor. reaksi nuklir. Koefisien yang diukur adalah 1,0006. Awalnya, reaktor beroperasi pada tingkat daya 0,5 W. Pada 12 Desember, dayanya ditingkatkan menjadi 200 watt. Selanjutnya, reaktor dipindahkan ke yang lebih tempat yang aman, dan tenaganya ditingkatkan menjadi beberapa kW. Pada saat yang sama, reaktor tersebut mengkonsumsi 0,002 g uranium-235 per hari.

Reaktor nuklir pertama di Uni Soviet

Membangun pusat penelitian pertama di Uni Soviet reaktor nuklir F-1 siap pada bulan Juni 1946.
Setelah semua percobaan yang diperlukan telah dilakukan, sistem kendali dan proteksi reaktor telah dikembangkan, dimensi reaktor telah ditetapkan, dan semuanya eksperimen yang diperlukan dengan model reaktor, kepadatan neutron ditentukan pada beberapa model, blok grafit (yang disebut kemurnian nuklir) dan (setelah pengujian fisik neutron) blok uranium diperoleh, dan pada bulan November 1946 pembangunan reaktor F-1 dimulai.
Radius total reaktor adalah 3,8 m, membutuhkan 400 ton grafit dan 45 ton uranium. Reaktor dirakit berlapis-lapis dan pada pukul 15.00 tanggal 25 Desember 1946, lapisan terakhir ke-62 dirakit. Setelah melepas apa yang disebut batang darurat, batang kendali dinaikkan, penghitungan kepadatan neutron dimulai, dan pada pukul 18:00 tanggal 25 Desember 1946, reaktor pertama di Uni Soviet hidup dan mulai bekerja. Itu merupakan kemenangan yang menggembirakan bagi para ilmuwan – pencipta reaktor nuklir dan segalanya orang-orang Soviet. Satu setengah tahun kemudian, pada 10 Juni 1948, reaktor industri dengan air di salurannya mencapai kondisi kritis dan segera produksi industri bahan bakar nuklir jenis baru, plutonium, dimulai.

Fisi nuklir- proses pembelahan inti atom menjadi dua (jarang tiga) inti dengan massa yang sama, yang disebut fragmen fisi. Akibat fisi, produk reaksi lain juga dapat muncul: inti cahaya (terutama partikel alfa), neutron, dan kuanta gamma. Fisi dapat terjadi secara spontan (spontan) dan paksa (akibat interaksi dengan partikel lain, terutama neutron). Fisi inti berat merupakan proses eksotermik, yang mengakibatkan pelepasan sejumlah besar energi dalam bentuk energi kinetik produk reaksi, serta radiasi. Fisi nuklir berfungsi sebagai sumber energi dalam reaktor nuklir dan senjata nuklir. Proses fisi hanya dapat terjadi bila energi potensial keadaan awal inti fisi melebihi jumlah massa fragmen fisi. Karena energi ikat spesifik inti berat berkurang seiring dengan bertambahnya massanya, kondisi ini terpenuhi untuk hampir semua inti dengan nomor massa .

Namun, pengalaman menunjukkan, bahkan inti terberat sekalipun akan mengalami fisi secara spontan dengan kemungkinan yang sangat rendah. Ini berarti ada penghalang energi ( penghalang fisi), mencegah perpecahan. Beberapa model digunakan untuk menggambarkan proses fisi nuklir, termasuk perhitungan penghalang fisi, namun tidak ada satupun yang dapat menjelaskan proses tersebut secara lengkap.

Fakta bahwa energi dilepaskan selama fisi inti berat secara langsung mengikuti ketergantungan energi ikat spesifik ε = E ringan (A,Z)/A dari nomor massa A. Ketika inti berat mengalami fisi, inti yang lebih ringan akan terbentuk dengan ikatan nukleon yang lebih kuat, dan sebagian energi dilepaskan selama fisi. Biasanya, fisi nuklir disertai dengan emisi 1–4 neutron. Mari kita nyatakan energi fisi Q dalam bentuk energi ikat inti awal dan akhir. Energi inti awal yang terdiri dari Z proton dan N neutron, serta bermassa M(A,Z) dan energi ikat E st (A,Z), kita tuliskan dalam bentuk berikut:

M(A,Z)c 2 = (Zm p + Nm n)c 2 - E St (A,Z).

Pembelahan inti (A,Z) menjadi 2 fragmen (A 1,Z 1) dan (A 2,Z 2) disertai dengan terbentuknya N n = A – A 1 – A 2 neutron cepat. Jika inti (A,Z) terpecah menjadi fragmen-fragmen bermassa M 1 (A 1 ,Z 1), M 2 (A 2 ,Z 2) dan energi ikat E св1 (A 1,Z 1), E св2 (A 2 , Z 2), maka untuk energi fisi kita mempunyai persamaan:

Q div = (M(A,Z) – )c 2 = E St 1 (A 1 ,Z 1) + E St (A 2 ,Z 2) – E St (A,Z),

A = A 1 + A 2 + N n, Z = Z 1 + Z 2.

23. Teori dasar fisi.

Pada tahun 1939 N.Bor Dan J.Wheler, dan juga Ya.Frenkel Jauh sebelum fisi dipelajari secara eksperimental secara komprehensif, teori proses ini telah diajukan, berdasarkan gagasan inti sebagai setetes cairan bermuatan.

Energi yang dilepaskan selama fisi dapat diperoleh langsung dari Rumus Weizsäcker.

Mari kita hitung jumlah energi yang dilepaskan selama fisi inti berat. Mari kita substitusikan ke (f.2) ekspresi energi ikat inti (f.1), dengan asumsi A 1 = 240 dan Z 1 = 90. Abaikan suku terakhir pada (f.1) karena kecilnya dan substitusi nilai parameter a 2 dan a 3 ,kita dapatkan

Dari sini kita memperoleh bahwa fisi menguntungkan secara energetik jika Z 2 /A > 17. Nilai Z 2 /A disebut parameter fisibilitas. Energi E yang dilepaskan selama fisi meningkat seiring dengan meningkatnya Z 2 /A; Z 2 /A = 17 untuk inti di daerah yttrium dan zirkonium. Dari perkiraan yang diperoleh jelas bahwa fisi menguntungkan secara energetik untuk semua inti dengan A > 90. Mengapa sebagian besar inti stabil terhadap fisi spontan? Untuk menjawab pertanyaan ini, mari kita lihat bagaimana bentuk inti berubah selama fisi.

Mari kita perhatikan tahap awal fisi, ketika inti, dengan bertambahnya r, berbentuk ellipsoid revolusi yang semakin memanjang. Pada tahap pembelahan ini, r adalah ukuran deviasi inti dari bentuk bola (Gbr. 3). Karena evolusi bentuk nukleus, perubahannya energi potensial ditentukan oleh perubahan jumlah energi permukaan dan energi Coulomb E" n + E" k. Diasumsikan bahwa volume inti tetap tidak berubah selama proses deformasi. Dalam hal ini, energi permukaan E"n meningkat seiring dengan bertambahnya luas permukaan inti. Energi Coulomb E"k menurun seiring dengan bertambahnya jarak rata-rata antar nukleon. Biarkan inti bola, sebagai akibat dari sedikit deformasi yang ditandai dengan parameter kecil, mengambil bentuk ellipsoid simetris aksial. Dapat ditunjukkan bahwa energi permukaan E" n dan energi Coulomb E" k bervariasi sebagai berikut bergantung pada:

Pada deformasi ellipsoidal kecil, peningkatan energi permukaan terjadi lebih cepat dibandingkan penurunan energi Coulomb. Di daerah inti berat 2E n > E k jumlah energi permukaan dan energi Coulomb meningkat seiring dengan peningkatan . Dari (f.4) dan (f.5) dapat disimpulkan bahwa pada deformasi ellipsoidal kecil, peningkatan energi permukaan mencegah perubahan lebih lanjut dalam bentuk inti, dan akibatnya, fisi. Ekspresi (f.5) berlaku untuk nilai kecil (deformasi kecil). Jika deformasinya begitu besar sehingga inti berbentuk halter, maka gaya tegangan permukaan , serta Pasukan Coulomb , cenderung membelah inti dan memberikan pecahannya bentuk bulat. Pada tahap fisi ini, peningkatan regangan disertai dengan penurunan energi Coulomb dan energi permukaan. Itu. dengan peningkatan deformasi inti secara bertahap, energi potensialnya melewati maksimum. Sekarang r memiliki arti jarak antara pusat fragmen masa depan. Ketika fragmen menjauh satu sama lain, energi potensial interaksinya akan berkurang, karena energi tolakan Coulomb E k berkurang. 4. tingkat nol energi potensial sesuai dengan jumlah energi permukaan dan energi Coulomb dari dua fragmen yang tidak berinteraksi. Kehadiran penghalang potensial mencegah fisi inti secara spontan. Agar sebuah inti dapat langsung terbelah, ia perlu memberikan energi Q yang melebihi tinggi penghalang H. Energi potensial maksimum inti fisil kira-kira sama dengan e 2 Z 2 /(R 1 + R 2), dimana R 1 dan R 2 adalah jari-jari pecahan. Misalnya, ketika inti emas terbagi menjadi dua fragmen identik, e 2 Z 2 /(R 1 + R 2) = 173 MeV, dan jumlah energi E yang dilepaskan selama fisi ( lihat rumus (f.2)), sama dengan 132 MeV. Jadi, selama pembelahan inti emas, penghalang potensial dengan ketinggian sekitar 40 MeV harus diatasi. Ketinggian penghalang H lebih besar dari sikap kurang , Coulomb dan energi permukaan E k /E p pada inti awal. Rasio ini, pada gilirannya, meningkat seiring dengan meningkatnya parameter pembagian Z 2 /A (

lihat (f.4) ). Semakin berat inti atom, semakin rendah tinggi penghalang H karena parameter fisibilitas meningkat seiring bertambahnya jumlah massa: Itu. menurut sekitar 10 -22 detik) membelah secara spontan. Keberadaan inti atom dengan Z 2 /A > 49 (“pulau stabilitas”) dijelaskan oleh struktur cangkangnya. Ketergantungan bentuk, tinggi penghalang potensial H dan energi fisi E pada nilai parameter fisi Z 2 /A ditunjukkan pada Gambar. 5.

Fisi inti secara spontan dengan Z 2 /A< 49, для которых высота барьера Н не равна нулю, с точки зрения классической физики невозможно. С точки зрения квантовой механики такое деление возможно в результате прохождения через потенциальный барьер и носит название спонтанного деления. Вероятность спонтанного деления растет с увеличением параметра делимости Z 2 /А, т.е. с уменьшением высоты барьера. В целом период полураспада относительно спонтанного деления уменьшается при переходе от менее тяжелых ядер к более тяжелым от Т 1/2 > 10 21 tahun untuk 232 Th hingga 0,3 s untuk 260 Ku. Fisi paksa inti dengan Z 2 /A < 49 может быть вызвано любыми частицами: фотонами, нейтронами, протонами, дейтронами, -частицами и т.д., если энергия, которую они вносят в ядро достаточна для преодоления барьера деления.

Fisi inti uranium ketika dibombardir dengan neutron ditemukan pada tahun 1939 oleh ilmuwan Jerman Otto Hahn dan Fritz Strassmann.

Otto Hahn (1879-1968)
Fisikawan Jerman, ilmuwan perintis di bidang radiokimia. Menemukan fisi uranium dan sejumlah unsur radioaktif

Fritz Strassmann (1902-1980)
Fisikawan dan kimia Jerman. Karya-karya tersebut berkaitan dengan kimia nuklir, fisi nuklir. Memberikan bukti kimia dari proses fisi

Mari kita perhatikan mekanisme fenomena ini. Gambar 162a secara konvensional menunjukkan inti atom uranium. Setelah menyerap kelebihan neutron, inti tereksitasi dan berubah bentuk, memperoleh bentuk memanjang (Gbr. 162, b).

Beras. 162. Proses fisi inti uranium di bawah pengaruh masuknya neutron

Anda telah mengetahui bahwa ada dua jenis gaya yang bekerja di dalam inti: gaya tolak menolak elektrostatis antar proton, yang cenderung memecah inti, dan gaya tarik menarik antar nukleon, sehingga inti tidak meluruh. Namun gaya nuklir bersifat jangka pendek, sehingga dalam inti yang memanjang tidak dapat lagi menahan bagian inti yang jaraknya sangat jauh satu sama lain. Di bawah pengaruh gaya tolak elektrostatik, inti pecah menjadi dua bagian (Gbr. 162, c), yang terbang terpisah menjadi sisi yang berbeda dengan kecepatan luar biasa dan memancarkan 2-3 neutron.

Ternyata sebagian energi dalam inti diubah menjadi energi kinetik pecahan dan partikel yang terbang. Fragmen-fragmen tersebut dengan cepat melambat di lingkungan, menyebabkannya energi kinetik dikonversi menjadi energi dalam lingkungan (yaitu, menjadi energi interaksi dan gerak termal partikel penyusunnya).

Dengan pembagian secara simultan jumlah besar inti uranium, energi internal lingkungan sekitar uranium dan, karenanya, suhunya meningkat secara nyata (yaitu, lingkungan memanas).

Dengan demikian, reaksi fisi inti uranium terjadi dengan pelepasan energi ke lingkungan.

Energi yang terkandung dalam inti atom sangatlah besar. Misalnya, dengan fisi sempurna semua inti yang terdapat dalam 1 g uranium, jumlah energi yang sama akan dilepaskan seperti yang dilepaskan selama pembakaran 2,5 ton minyak. Untuk mengubah energi dalam inti atom menjadi energi listrik pembangkit listrik tenaga nuklir gunakan apa yang disebut reaksi berantai fisi nuklir.

Mari kita perhatikan mekanisme reaksi berantai fisi inti isotop uranium. Inti atom uranium (Gbr. 163) akibat penangkapan neutron terbelah menjadi dua bagian, memancarkan tiga neutron. Dua dari neutron ini menyebabkan reaksi fisi dua inti lagi, menghasilkan empat neutron. Hal ini, pada gilirannya, menyebabkan fisi empat inti, yang kemudian menghasilkan sembilan neutron, dan seterusnya.

Reaksi berantai dimungkinkan karena fisi setiap inti menghasilkan 2-3 neutron, yang dapat mengambil bagian dalam fisi inti lainnya.

Gambar 163 menunjukkan diagram reaksi berantai di mana jumlah total neutron bebas dalam sepotong uranium meningkat seperti longsoran salju seiring waktu. Sejalan dengan itu, jumlah fisi nuklir dan energi yang dilepaskan per satuan waktu meningkat tajam. Oleh karena itu, reaksi seperti itu bersifat eksplosif (terjadi pada bom atom).

Beras. 163. Reaksi berantai fisi inti uranium

Pilihan lain juga dimungkinkan, di mana jumlah neutron bebas berkurang seiring waktu. Dalam hal ini, reaksi berantai berhenti. Oleh karena itu, reaksi seperti itu juga tidak dapat digunakan untuk menghasilkan listrik.

DI DALAM untuk tujuan damai Energi hanya dapat digunakan dari reaksi berantai di mana jumlah neutron tidak berubah seiring waktu.

Bagaimana kita dapat memastikan bahwa jumlah neutron tetap konstan? Untuk mengatasi masalah ini, Anda perlu mengetahui faktor-faktor apa saja yang mempengaruhi kenaikan dan penurunan jumlah neutron bebas pada sepotong uranium yang terjadi reaksi berantai.

Salah satu faktornya adalah massa uranium. Faktanya adalah tidak setiap neutron yang dipancarkan selama fisi nuklir menyebabkan fisi inti lainnya (lihat Gambar 163). Jika massa (dan, karenanya, dimensi) sepotong uranium terlalu kecil, maka banyak neutron akan terbang keluar, tidak punya waktu untuk bertemu dengan nukleus dalam perjalanannya, menyebabkan fisinya dan dengan demikian menghasilkan generasi baru. neutron yang diperlukan untuk melanjutkan reaksi. Dalam hal ini, reaksi berantai akan berhenti. Agar reaksi dapat berlanjut, massa uranium perlu ditingkatkan hingga nilai tertentu, yang disebut kritis.

Mengapa reaksi berantai dapat terjadi seiring bertambahnya massa? Bagaimana lebih banyak massa sepotong, semakin besar ukurannya dan cara yang lebih panjang, neutron mana yang melewatinya. Dalam hal ini, kemungkinan pertemuan neutron dengan inti meningkat. Sejalan dengan itu, jumlah fisi nuklir dan jumlah neutron yang dipancarkan meningkat.

Pada massa kritis uranium, jumlah neutron yang dihasilkan selama fisi nuklir menjadi lebih banyak sama dengan nomornya neutron yang hilang (yaitu ditangkap oleh inti tanpa fisi dan dipancarkan ke luar bagian).

Oleh karena itu, jumlah totalnya tetap tidak berubah. Dalam hal ini, reaksi berantai dapat terjadi waktu yang lama tanpa berhenti atau menjadi eksplosif.

• Massa terkecil uranium dimana reaksi berantai dapat terjadi disebut massa kritis

Jika massa uranium lebih besar dari massa kritis, maka akibat peningkatan tajam jumlah neutron bebas, reaksi berantai menyebabkan ledakan, dan jika kurang dari massa kritis, maka reaksi tidak akan terjadi. melanjutkan karena kurangnya neutron bebas.

Hilangnya neutron (yang lepas dari uranium tanpa bereaksi dengan inti atom) dapat dikurangi tidak hanya dengan meningkatkan massa uranium, tetapi juga dengan menggunakan cangkang reflektif khusus. Untuk melakukan ini, sepotong uranium ditempatkan dalam cangkang yang terbuat dari zat yang memantulkan neutron dengan baik (misalnya berilium). Bercermin dari cangkang ini, neutron kembali ke uranium dan dapat mengambil bagian dalam fisi nuklir.

Ada beberapa faktor lain yang mempengaruhi kemungkinan terjadinya reaksi berantai. Misalnya, jika sepotong uranium mengandung terlalu banyak pengotor lainnya unsur kimia, lalu mereka menyerap sebagian besar neutron dan reaksi berhenti.

Kehadiran moderator neutron dalam uranium juga mempengaruhi jalannya reaksi. Faktanya adalah inti uranium-235 tidak lebih mungkin terbagi di bawah pengaruh neutron lambat. Dan ketika inti atom membelah, mereka terbentuk neutron cepat. Jika neutron cepat diperlambat, maka sebagian besar neutron akan ditangkap oleh inti uranium-235 yang diikuti dengan fisi inti tersebut. Zat seperti grafit, air, air berat (termasuk deuterium, isotop hidrogen dengan nomor massa 2), dan beberapa lainnya digunakan sebagai moderator. Zat-zat ini hanya memperlambat neutron, hampir tanpa menyerapnya.

Dengan demikian, kemungkinan terjadinya reaksi berantai ditentukan oleh massa uranium, jumlah pengotor di dalamnya, keberadaan cangkang dan moderator, dan beberapa faktor lainnya.

Massa kritis sepotong uranium-235 berbentuk bola adalah sekitar 50 kg. Apalagi radiusnya hanya 9 cm, karena uranium memiliki kepadatan yang sangat tinggi.

Dengan menggunakan moderator dan cangkang reflektif serta mengurangi jumlah pengotor, massa kritis uranium dapat dikurangi menjadi 0,8 kg.

Pertanyaan

1. Mengapa fisi nuklir dapat dimulai hanya jika ia mengalami deformasi akibat pengaruh neutron yang diserapnya?
2. Apa yang terbentuk akibat fisi nuklir?
3. Energi apa yang diubah oleh sebagian energi internal inti selama pembelahannya? energi kinetik pecahan inti uranium ketika mengalami perlambatan di lingkungan?
4. Bagaimana reaksi fisi inti uranium berlangsung - dengan pelepasan energi ke lingkungan atau, sebaliknya, dengan penyerapan energi?
5. Jelaskan mekanisme reaksi berantai menggunakan Gambar 163.
6. Berapa massa kritis uranium?
7. Mungkinkah terjadi reaksi berantai jika massa uranium kurang dari massa kritis; lebih kritis? Mengapa?

Terjadi fisi inti uranium sebagai berikut: Pertama, sebuah neutron mengenai inti atom, seperti peluru yang mengenai sebuah apel. Dalam kasus apel, peluru akan membuat lubang di dalamnya atau menghancurkannya hingga berkeping-keping. Ketika sebuah neutron memasuki inti atom, ia ditangkap oleh gaya nuklir. Neutron diketahui bersifat netral sehingga tidak ditolak oleh gaya elektrostatis.

Bagaimana terjadinya pembelahan inti uranium?

Jadi, setelah memasuki inti, neutron mengganggu keseimbangan, dan inti tereksitasi. Itu membentang ke samping seperti halter atau tanda tak terhingga: ∞ . Gaya nuklir, seperti diketahui, bekerja pada jarak yang sepadan dengan ukuran partikel. Ketika inti diregangkan, pengaruh gaya nuklir menjadi tidak signifikan bagi partikel terluar “halter”, sementara kekuatan listrik Mereka bertindak sangat kuat pada jarak seperti itu, dan intinya pecah menjadi dua bagian. Dalam hal ini, dua atau tiga neutron lagi dipancarkan.

Fragmen inti dan neutron yang dilepaskan tersebar dengan kecepatan tinggi ke berbagai arah. Fragmennya melambat dengan cukup cepat lingkungan, namun energi kinetiknya sangat besar. Itu diubah menjadi energi internal lingkungan, yang memanas. Dalam hal ini, jumlah energi yang dilepaskan sangat besar. Energi yang diperoleh dari fisi sempurna satu gram uranium kira-kira sama dengan energi yang diperoleh dari pembakaran 2,5 ton minyak.

Reaksi berantai fisi beberapa inti

Kami melihat fisi satu inti uranium. Selama fisi, beberapa (biasanya dua atau tiga) neutron dilepaskan. Mereka terbang terpisah dengan kecepatan tinggi dan dapat dengan mudah masuk ke dalam inti atom lain, menyebabkan reaksi fisi di dalamnya. Ini adalah reaksi berantai.

Artinya, neutron yang diperoleh sebagai hasil fisi nuklir menggairahkan dan memaksa inti lain untuk melakukan fisi, yang pada gilirannya memancarkan neutron, yang terus merangsang fisi lebih lanjut. Begitu seterusnya hingga terjadi fisi seluruh inti uranium di sekitarnya.

Dalam hal ini, reaksi berantai dapat terjadi seperti longsoran salju, misalnya jika terjadi ledakan bom atom. Jumlah fisi nuklir meningkat perkembangan geometri dalam waktu singkat. Namun, reaksi berantai juga bisa terjadi dengan redaman.

Faktanya adalah tidak semua neutron bertemu dengan inti atom dalam perjalanannya, sehingga menyebabkan terjadinya fisi. Seperti yang kita ingat, di dalam suatu zat, volume utama ditempati oleh kekosongan antar partikel. Oleh karena itu, beberapa neutron terbang melintasi seluruh materi tanpa bertabrakan dengan apa pun di sepanjang perjalanannya. Dan jika jumlah fisi nuklir berkurang seiring waktu, maka reaksinya berangsur-angsur memudar.

Reaksi nuklir dan massa kritis uranium

Apa yang menentukan jenis reaksi? Dari massa uranium. Semakin besar massanya, semakin banyak partikel yang ditemui neutron terbang di jalurnya dan semakin besar peluang untuk masuk ke dalam inti. Oleh karena itu, “massa kritis” uranium dibedakan - ini adalah massa minimum yang memungkinkan terjadinya reaksi berantai.

Jumlah neutron yang dihasilkan akan sama dengan jumlah neutron yang terbang keluar. Dan reaksi akan berlangsung dengan kecepatan yang kira-kira sama hingga seluruh volume zat dihasilkan. Ini digunakan dalam praktik di pembangkit listrik tenaga nuklir dan disebut reaksi nuklir terkendali.