Kodėl dalijimosi reakcija? Pamokos santrauka „Urano branduolių dalijimasis

>> Urano branduolių dalijimasis

§ 107 URANO BRANDUOLIŲ SKILDYMAS

Tik kai kurių branduolius galima suskirstyti į dalis sunkūs elementai. Branduoliams dalijantis, išspinduliuojami du ar trys neutronai ir spinduliai. Tuo pačiu metu išsiskiria daug energijos.

Urano dalijimosi atradimas. Urano branduolių skilimą 1938 metais atrado vokiečių mokslininkai O. Hahn iF. Strassmann. Jie nustatė, kad kai uranas yra bombarduojamas neutronais, atsiranda vidurinės dalies elementai Periodinė elementų lentelė: baris, kriptonas ir kt. Tačiau teisingą šio fakto interpretaciją kaip urano branduolio, užfiksavusio neutroną, skilimą 1939 metų pradžioje pateikė anglų fizikas O. Frischas kartu su austrų fiziku L. Meitneriu.

Neutronų gaudymas sutrikdo branduolio stabilumą. Branduolys susijaudina ir tampa nestabilus, todėl jis dalijasi į fragmentus. Branduolio dalijimasis įmanomas, nes sunkiojo branduolio ramybės masė yra didesnė už likusių dalijimosi fragmentų masių sumą. Todėl energijos išskyrimas prilygsta ramybės masės sumažėjimui, kuris lydi dalijimąsi.

Sunkiųjų branduolių dalijimosi galimybė taip pat gali būti paaiškinta naudojant priklausomybės grafiką specifinė energija jungtys nuo masės skaičiaus A (žr. 13.11 pav.). Elementų atomų branduolių, užimančių periodinę lentelę, savitoji surišimo energija paskutinės vietos(A 200), maždaug 1 MeV mažiau nei specifinė rišimosi energija elementų, esančių periodinės lentelės viduryje, branduoliuose (A 100). Todėl sunkiųjų branduolių dalijimosi į elementų branduolius procesas vidurinėje periodinės lentelės dalyje yra energetiškai palankus. Po dalijimosi sistema pereina į būseną su minimalia vidine energija. Juk kuo didesnė branduolio rišimosi energija, tuo didesnė energija turėtų išsiskirti atsiradus branduoliui, taigi, tuo mažesnė naujai susidariusios sistemos vidinė energija.

Branduolio dalijimosi metu jungimosi energija vienam nukleonui padidėja 1 MeV, o bendra išsiskirianti energija turi būti milžiniška – maždaug 200 MeV. Jokia kita branduolinė reakcija (nesusijusi su skilimu) neišskiria tokios didelės energijos.

Tiesioginiai urano branduolio dalijimosi metu išsiskiriančios energijos matavimai patvirtino minėtus samprotavimus ir davė 200 MeV vertę. Be to, didžioji šios energijos dalis (168 MeV) patenka į fragmentų kinetinę energiją. 13.13 paveiksle matote skiliojo urano fragmentų pėdsakus debesų kameroje.

Branduolio dalijimosi metu išsiskirianti energija yra elektrostatinės, o ne branduolinės kilmės. Didelė kinetinė energija, kurią turi fragmentai, atsiranda dėl jų Kulono atstūmimo.

Branduolio dalijimosi mechanizmas. Branduolio dalijimosi procesą galima paaiškinti remiantis lašinamas modelis branduoliai. Pagal šį modelį nukleonų krūva primena įkrauto skysčio lašelį (13.14 pav., a). Branduolinės jėgos tarp nukleonų yra trumpo nuotolio, kaip ir jėgos, veikiančios tarp skysčių molekulių. Kartu su dideles pajėgas elektrostatinis atstūmimas tarp protonų, linkęs suplėšyti branduolį į gabalus, yra dar didesnis branduolines pajėgas patrauklumas. Šios jėgos neleidžia branduoliui suirti.

Urano-235 branduolys yra sferinės formos. Sugėręs papildomą neutroną, jis susijaudina ir pradeda deformuotis, įgaudamas pailgą formą (13.14 pav., b). Šerdis drieksis tol, kol atstumiančios jėgos tarp pailgos šerdies pusių pradės vyrauti prieš sąsmauka veikiančias traukos jėgas (13.14 pav., c). Po to jis skyla į dvi dalis (13.14 pav., d).

Esant įtakai Kulono jėgos atstūmimas, šie fragmentai išsisklaido greičiu, lygiu 1/30 šviesos greičio.

Neutronų emisija dalijimosi metu. Pagrindinis branduolio dalijimosi faktas yra dviejų ar trijų neutronų išmetimas dalijimosi proceso metu. Tai leido tai padaryti praktinis naudojimas intrabranduolinė energija.

Supraskite, kodėl atsiranda emisija laisvųjų neutronų, tai įmanoma remiantis toliau nurodytais motyvais. Yra žinoma, kad neutronų skaičiaus ir protonų skaičiaus santykis stabiliuose branduoliuose didėja didėjant atominis skaičius. Todėl dalijimosi metu susidarančių fragmentų santykinis neutronų skaičius yra didesnis nei leistina atomų branduoliams, esantiems periodinės lentelės viduryje. Dėl to dalijimosi proceso metu išsiskiria keli neutronai. Jų energija turi skirtingos reikšmės- nuo kelių milijonų elektronų voltų iki labai mažų, artimų nuliui.

Skilimas dažniausiai vyksta į fragmentus, kurių masės skiriasi maždaug 1,5 karto. Šie fragmentai yra labai radioaktyvūs, nes juose yra per daug neutronų. Dėl nuoseklaus skilimo serijos galiausiai gaunami stabilūs izotopai.

Baigdami pažymime, kad taip pat vyksta savaiminis urano branduolių dalijimasis. Buvo atvira sovietų fizikai G. N. Flerovas ir K. A. Petrzhak 1940 m. Savaiminio dalijimosi pusperiodis yra 10 16 metų. Tai yra du milijonai kartų ilgesnis laikotarpis pusinės eliminacijos laikas urano skilimo metu.

Branduolio dalijimosi reakciją lydi energijos išsiskyrimas.

Urano branduolių skilimą bombarduojant neutronais 1939 metais atrado vokiečių mokslininkai Otto Hahn ir Fritz Strassmann.

Otto Hahnas (1879–1968)
Vokiečių fizikas, pradininkas radiochemijos srityje. Atrado urano ir daugelio radioaktyviųjų elementų dalijimąsi

Fritzas Strassmannas (1902–1980)
Vokiečių fizikas ir chemikas. Darbai susiję su branduoline chemija, branduolio dalijimasis. Pateikė cheminį skilimo proceso įrodymą

Panagrinėkime šio reiškinio mechanizmą. 162a paveiksle sutartinai pavaizduotas urano atomo branduolys. Sugėręs papildomą neutroną, branduolys sužadinamas ir deformuojasi, įgydamas pailgą formą (162 pav., b).

Ryžiai. 162. Urano branduolio dalijimosi procesas veikiant į jį patenkančiam neutronui

Jau žinote, kad branduolyje veikia dviejų tipų jėgos: elektrostatinės atstumiančios jėgos tarp protonų, kurios linkusios suplėšyti branduolį, ir branduolinės traukos jėgos tarp visų nukleonų, kurių dėka branduolys nesuyra. Tačiau branduolinės jėgos yra trumpo nuotolio, todėl pailgintame branduolyje jos nebegali išlaikyti viena nuo kitos labai nutolusių branduolio dalių. Veikiant elektrostatinėms atstūmimo jėgoms, šerdis suyra į dvi dalis (162 pav., c), kurios išskrenda į skirtingos pusės milžinišku greičiu ir išskiria 2-3 neutronus.

Pasirodo ta dalis vidinė energija branduolys paverčiamas skraidančių fragmentų ir dalelių kinetine energija. Fragmentai greitai sulėtėja aplinkoje, todėl jie pradeda veikti kinetinė energija paverčiama vidine terpės energija (t. y. ją sudarančių dalelių sąveikos ir šiluminio judėjimo energija).

Su tuo pačiu padalijimu didelis kiekis urano branduoliai, pastebimai pakyla uraną supančios aplinkos vidinė energija ir atitinkamai jo temperatūra (t. y. įkaista aplinka).

Taigi, urano branduolių dalijimosi reakcija įvyksta išskiriant energiją aplinką.

Energija, esanti atomų branduoliuose, yra didžiulė. Pavyzdžiui, visiškai suskilus visiems branduoliams, esantiems 1 g urano, išsiskirtų tiek pat energijos, kiek išsiskiria deginant 2,5 tonos naftos. Vidinei energijai paversti atomų branduoliai elektrinėje atominėse elektrinėse jie naudoja vadinamuosius branduolio dalijimosi grandininės reakcijos.

Panagrinėkime urano izotopo branduolio dalijimosi grandininės reakcijos mechanizmą. Urano atomo branduolys (163 pav.) dėl neutronų gaudymo suskilo į dvi dalis, išskirdamas tris neutronus. Du iš šių neutronų sukėlė dar dviejų branduolių dalijimosi reakciją, gaminant keturis neutronus. Tai savo ruožtu sukėlė keturių branduolių skilimą, po kurio buvo pagaminti devyni neutronai ir kt.

Grandininė reakcija galima dėl to, kad dalijantis kiekvienam branduoliui susidaro 2-3 neutronai, kurie gali dalyvauti dalijantis kitus branduolius.

163 paveiksle parodyta grandininės reakcijos schema, kurioje iš viso laisvųjų neutronų urano gabale laikui bėgant daugėja kaip lavina. Atitinkamai smarkiai padidėja branduolio dalijimosi skaičius ir per laiko vienetą išsiskirianti energija. Todėl tokia reakcija yra sprogstamojo pobūdžio (vyksta atominėje bomboje).

Ryžiai. 163. Urano branduolių dalijimosi grandininė reakcija

Galimas ir kitas variantas, kai laisvųjų neutronų skaičius laikui bėgant mažėja. Tokiu atveju grandininė reakcija sustoja. Todėl tokia reakcija taip pat negali būti naudojama elektros energijai gaminti.

IN taikiems tikslams Galima panaudoti tik grandininės reakcijos energiją, kurios metu neutronų skaičius laikui bėgant nekinta.

Kaip galime užtikrinti, kad neutronų skaičius visą laiką išliktų pastovus? Norėdami išspręsti šią problemą, turite žinoti, kokie veiksniai įtakoja bendro laisvųjų neutronų skaičiaus padidėjimą ir sumažėjimą urano gabale, kuriame vyksta grandininė reakcija.

Vienas iš tokių veiksnių yra urano masė. Faktas yra tas, kad ne kiekvienas branduolio dalijimosi metu išmestas neutronas sukelia kitų branduolių dalijimąsi (žr. 163 pav.). Jei urano gabalo masė (ir atitinkamai matmenys) yra per maža, iš jo išskris daug neutronų, nespėję susitikti su branduoliu, sukels jo skilimą ir taip sukurs naujos kartos neutronų, reikalingų reakcijai tęsti. Tokiu atveju grandininė reakcija sustos. Kad reakcija tęstųsi, reikia padidinti urano masę iki tam tikros vertės, vadinamos kritiškas.

Kodėl didėjant masei tampa įmanoma grandininė reakcija? Kuo didesnė gabalo masė, tuo didesni jo matmenys ir ilgesnis kelias, kurie neutronai praeina pro jį. Tokiu atveju padidėja tikimybė, kad neutronai susitiks su branduoliais. Atitinkamai didėja branduolio dalijimosi skaičius ir išmetamų neutronų skaičius.

Esant kritinei urano masei, branduolio dalijimosi metu susidarančių neutronų skaičius tampa lygus skaičiui prarastų neutronų (t. y. užfiksuoti branduolių be dalijimosi ir išmesti už gabalo ribų).

Todėl bendras jų skaičius nesikeičia. Tokiu atveju gali įvykti grandininė reakcija ilgas laikas nesustodamas ir netapdamas sprogiu.

• Mažiausia urano masė, kuriai esant gali įvykti grandininė reakcija, vadinama kritine mase

Jei urano masė yra didesnė už kritinę masę, tada dėl staigaus laisvųjų neutronų skaičiaus padidėjimo grandininė reakcija sukelia sprogimą, o jei ji yra mažesnė už kritinę masę, tada reakcija nevyksta. tęsti dėl laisvųjų neutronų trūkumo.

Neutronų (išeinančių iš urano nereaguodami su branduoliais) praradimą galima sumažinti ne tik padidinus urano masę, bet ir naudojant specialų atspindintį apvalkalą. Norėdami tai padaryti, į apvalkalą, pagamintą iš medžiagos, kuri gerai atspindi neutronus (pavyzdžiui, berilio), įdedamas urano gabalas. Atsispindėdami nuo šio apvalkalo neutronai grįžta į uraną ir gali dalyvauti branduolio dalijimosi procese.

Yra keletas kitų veiksnių, nuo kurių priklauso grandininės reakcijos galimybė. Pavyzdžiui, jei urano gabale yra per daug kitų priemaišų cheminiai elementai, tada jie sugeria dauguma neutronai ir reakcija sustoja.

Vadinamojo neutronų moderatoriaus buvimas urane taip pat turi įtakos reakcijos eigai. Faktas yra tas, kad urano-235 branduoliai greičiausiai dalijimasis veikiant lėtiesiems neutronams. O kai branduoliai dalijasi, jie susidaro greitieji neutronai. Jei greitieji neutronai bus sulėtinti, dauguma jų bus užfiksuoti urano-235 branduoliuose, o vėliau šie branduoliai suskils. Medžiagos, tokios kaip grafitas, vanduo, sunkusis vanduo (įskaitant deuterį, vandenilio izotopą, kurio masės numeris 2), ir kai kurios kitos yra naudojamos kaip moderatoriai. Šios medžiagos tik sulėtina neutronus, beveik jų nesugeria.

Taigi grandininės reakcijos atsiradimo galimybę lemia urano masė, jame esančių priemaišų kiekis, apvalkalo ir moderatoriaus buvimas bei kai kurie kiti veiksniai.

Sferinio urano-235 gabalo kritinė masė yra maždaug 50 kg. Be to, jo spindulys yra tik 9 cm, nes urano tankis yra labai didelis.

Naudojant moderatorių ir atspindintį apvalkalą bei sumažinus priemaišų kiekį, galima sumažinti urano kritinę masę iki 0,8 kg.

Klausimai

1. Kodėl branduolio dalijimasis gali prasidėti tik tada, kai jis deformuojasi veikiamas jo sugerto neutrono?
2. Kas susidaro dėl branduolio dalijimosi?
3. Į kokią energiją dalijant virsta dalis branduolio vidinės energijos? urano branduolio fragmentų kinetinė energija, kai jie aplinkoje sulėtėja?
4. Kaip vyksta urano branduolių dalijimosi reakcija – išleidžiant energiją į aplinką ar, atvirkščiai, įsisavinant energiją?
5. Paaiškinkite grandininės reakcijos mechanizmą naudodami 163 pav.
6. Kokia yra kritinė urano masė?
7. Ar įmanoma grandininė reakcija, jei urano masė yra mažesnė už kritinę masę; kritiškesnis? Kodėl?

2. Kokia energija vadinama reakcijos energija? Kaip įvertinti dalijimosi reakcijos energijos išeigą?

3. Kokia reikšmė apibūdina grandininės reakcijos greitį? Užrašykite būtiną grandininės reakcijos išsivystymo sąlygą.

4. Kokia dalijimosi reakcija vadinama savaime išsilaikančia? Kada tai atsiranda?

5. Įvertinkite kritinį branduolio dydį ir kritinę masę.

N yra branduolių koncentracija. Neutrono susidūrimų su branduoliais skaičius per laiko vienetą n.

Branduolio dalijimosi reakcijos- dalijimosi reakcijos, susidedančios iš to, kad sunkusis branduolys, veikiamas neutronų, ir, kaip vėliau paaiškėjo, kitų dalelių, yra padalintas į kelis lengvesnius branduolius (fragmentus), dažniausiai į du panašios masės branduolius.

Branduolio dalijimosi ypatybė yra ta, kad jį lydi dviejų ar trijų antrinių neutronų, vadinamų dalijimosi neutronai. Kadangi vidutiniuose branduoliuose neutronų skaičius yra maždaug lygus protonų skaičiui ( N/Z ≈ 1), o sunkiuosiuose branduoliuose neutronų skaičius žymiai viršija protonų skaičių ( N/Z ≈ 1.6), tada susidarę dalijimosi fragmentai yra perkraunami neutronais, dėl kurių jie išskiria dalijimosi neutronus. Tačiau dalijimosi neutronų emisija visiškai nepanaikina fragmentų branduolių perkrovos neutronais. Dėl to fragmentai tampa radioaktyvūs. Jie gali patirti daugybę β - transformacijų, kurias lydi γ kvantų emisija. Kadangi β - skilimą lydi neutrono transformacija į protoną, tada po β - transformacijų grandinės santykis tarp neutronų ir protonų fragmente pasieks vertę, atitinkančią stabilų izotopą. Pavyzdžiui, dalijantis urano branduoliui U

U+ n → Xe + Sr +2 n(265.1)

skilimo fragmentas Xe dėl trijų β skilimo veiksmų virsta stabilus izotopas Lantana La:

heh → Cs → Ba → La.

Skilimo fragmentai gali būti įvairūs, todėl reakcija (265.1) nėra vienintelė, sukelianti U dalijimąsi.

Dauguma dalijimosi neutronų išmetami beveik akimirksniu ( t≤ 10–14 s), o dalį (apie 0,7 %) išskiria dalijimosi fragmentai praėjus kuriam laikui po dalijimosi (0,05 s ≤ t≤ 60 s). Pirmieji iš jų vadinami akimirksniu, antras - atsilieka. Vidutiniškai kiekvienas dalijimosi įvykis sukuria 2,5 neutrono. Jie turi gana platų energijos spektrą nuo 0 iki 7 MeV, o vidutinė energija yra apie 2 MeV vienam neutronui.

Skaičiavimai rodo, kad branduolio skilimą taip pat turi lydėti didelis energijos kiekis. Tiesą sakant, specifinė branduolių surišimo energija Vidutinis svoris yra maždaug 8,7 MeV, o sunkiųjų branduolių – 7,6 MeV. Vadinasi, kai sunkusis branduolys dalijasi į du fragmentus, turėtų išsiskirti energija, lygi maždaug 1,1 MeV vienam nukleonui.

Atomo branduolių dalijimosi teorija (N. Bohr, Ya. I. Frenkel) remiasi branduolio lašeliniu modeliu. Branduolys laikomas elektrai įkrauto nesuspaudžiamo skysčio lašeliu (kurio tankis lygus branduolio tankiui ir paklūsta dėsniams Kvantinė mechanika), į kurį patenka dalelės, kai neutronas patenka į branduolį svyruojantis judesys, ko pasekoje šerdis skyla į dvi dalis, skrenda viena nuo kitos su milžiniška energija.

Branduolio dalijimosi tikimybę lemia neutronų energija. Pavyzdžiui, jei didelės energijos neutronai sukelia beveik visų branduolių dalijimąsi, tai neutronai, kurių energija yra keli megaelektronvoltai, sukelia tik sunkiųjų branduolių dalijimąsi. A>210), neutronai, turintys aktyvacijos energija(minimali energija, reikalinga branduolio dalijimosi reakcijai atlikti) 1 MeV, sukelia urano U, torio Th, protaktinio Pa, plutonio Pu branduolių dalijimąsi. Šiluminiai neutronai skaldo U, Pu ir U, Th branduolius (paskutiniai du izotopai gamtoje nebūna, jie gaunami dirbtinai).

Branduolio dalijimosi metu išskiriami antriniai neutronai gali sukelti naujus dalijimosi įvykius, o tai leidžia dalijimosi grandininė reakcija- branduolinė reakcija, kurios metu reakciją sukeliančios dalelės susidaro kaip šios reakcijos produktai. Skilimo grandininei reakcijai būdinga dauginimo koeficientas k neutronai, kurie lygus santykiui neutronų skaičius tam tikroje kartoje iki jų skaičiaus ankstesnėje kartoje. Būtina sąlyga dalijimosi grandininei reakcijai išsivystyti yra reikalavimas k ≥ 1.

Pasirodo, ne visi pagaminti antriniai neutronai sukelia vėlesnį branduolio dalijimąsi, dėl kurio sumažėja dauginimo koeficientas. Pirma, dėl ribotų matmenų šerdis(erdvė, kurioje vyksta vertinga reakcija) ir didelis neutronų įsiskverbimo gebėjimas, kai kurie iš jų paliks aktyviąją zoną, kol juos užfiksuos bet koks branduolys. Antra, kai kuriuos neutronus sulaiko neskilusių priemaišų branduoliai, kurių visada yra šerdyje. Be to, kartu su dalijimu gali vykti ir konkuruojantys spinduliuotės gaudymo bei neelastingos sklaidos procesai.

Dauginimo koeficientas priklauso nuo skiliosios medžiagos pobūdžio ir už tam tikro izotopo– nuo ​​jo kiekio, taip pat aktyvios zonos dydžio ir formos. Vadinami minimalūs aktyviosios zonos, kuriai esant galima grandininė reakcija, matmenys kritiniai dydžiai. Mažiausia skiliųjų medžiagų masė, esanti kritinių matmenų sistemoje, kurią reikia įgyvendinti grandininė reakcija, paskambino kritinė masė.

Grandininių reakcijų vystymosi greitis yra skirtingas. Leisti T - vidutinis laikas

vienos kartos gyvenimas ir N- neutronų skaičius tam tikroje kartoje. Kitoje kartoje jų skaičius yra lygus kN,T. e. neutronų skaičiaus padidėjimas per kartą dN = kN – N = N(k – 1). Neutronų skaičiaus padidėjimas per laiko vienetą, ty grandininės reakcijos augimo greitis,

. (266.1)

Integruodami (266.1), gauname

,

Kur N 0- neutronų skaičius pradžios momentas laikas ir N- jų skaičius vienu metu t. N nustatomas pagal ženklą ( k– 1). At k>1 ateina vystosi reakcija, skilimų skaičius nuolat didėja ir reakcija gali tapti sprogi. At k=1 eina save palaikanti reakcija kuriame neutronų skaičius laikui bėgant nekinta. At k <1 идет blėsta reakcija

Grandininės reakcijos apima kontroliuojamas ir nekontroliuojamas reakcijas. Pavyzdžiui, atominės bombos sprogimas yra nekontroliuojama reakcija. Kad atominė bomba nesprogtų saugojimo metu, joje esantis U (arba Pu) yra padalintas į dvi dalis, nutolusias viena nuo kitos, kurių masė mažesnė nei kritinė. Tada įprasto sprogimo pagalba šios masės suartėja, bendra skiliosios medžiagos masė tampa didesnė už kritinę ir įvyksta sprogstamoji grandininė reakcija, kurią lydi akimirksniu išsiskiriantis didžiulis energijos kiekis ir didžiulis sunaikinimas. . Sprogioji reakcija prasideda dėl turimų neutronų iš savaiminio dalijimosi arba neutronų iš kosminės spinduliuotės. Branduoliniuose reaktoriuose vyksta valdomos grandininės reakcijos.

Neutronų sąveikos su medžiaga tyrimas leido atrasti naujo tipo branduolines reakcijas. 1939 metais O. Hahnas ir F. Strassmannas tyrė cheminius produktus, susidarančius neutronais bombarduojant urano branduolius. Tarp reakcijos produktų buvo aptiktas baris – cheminis elementas, kurio masė daug mažesnė už urano masę. Problemą išsprendė vokiečių fizikai L. Meitneris ir O. Frischas, kurie parodė, kad uranui absorbuojant neutronus, branduolys skyla į du fragmentus:

Kur k > 1.

Urano branduolio dalijimosi metu ~0,1 eV energijos šiluminis neutronas išskiria ~200 MeV energiją. Esminis dalykas yra tai, kad šį procesą lydi neutronų, galinčių sukelti kitų urano branduolių dalijimąsi, atsiradimą. dalijimosi grandininė reakcija . Taigi vienas neutronas gali sukelti šakotą branduolio dalijimosi grandinę, o dalijimosi reakcijoje dalyvaujančių branduolių skaičius padidės eksponentiškai. Atsivėrė perspektyvos panaudoti dalijimosi grandininę reakciją dviem kryptimis:

· valdė branduolinė reakcija padalinius– Kūryba branduoliniai reaktoriai;

· pabėgusi branduolio dalijimosi reakcija- branduolinių ginklų kūrimas.

Pirmoji 1942 m branduolinis reaktorius. SSRS pirmasis reaktorius paleistas 1946. Šiuo metu šiluminis ir Elektros energija pagaminta šimtuose branduolinių reaktorių, veikiančių įvairiose pasaulio šalyse.

Kaip matyti iš fig. 4.2, su didėjančia verte A specifinė surišimo energija padidėja iki A» 50. Tokį elgesį galima paaiškinti jėgų deriniu; Atskiro nukleono surišimo energija padidėja, jei jį traukia ne vienas ar du, o keli kiti nukleonai. Tačiau elementuose, kurių masės skaičiaus reikšmės yra didesnės A» 50 specifinės surišimo energijos palaipsniui mažėja didėjant A. Taip yra dėl to, kad branduolinės traukos jėgos yra trumpo nuotolio, o jų veikimo spindulys yra panašus į atskiro nukleono dydį. Už šio spindulio ribų vyrauja elektrostatinės atstūmimo jėgos. Jei du protonai yra atskirti daugiau nei 2,5 × 10 - 15 m, tada tarp jų vyrauja Kulono atstūmimo, o ne branduolio traukos jėgos.

Tokio specifinės rišamosios energijos elgesio pasekmė priklauso nuo A yra dviejų procesų egzistavimas - branduolių sintezė ir dalijimasis . Panagrinėkime elektrono ir protono sąveiką. Susidarius vandenilio atomui, išsiskiria 13,6 eV energija, o vandenilio atomo masė yra 13,6 eV mažesnė už masių sumą laisvasis elektronas ir protonas. Panašiai dviejų lengvųjų branduolių masė viršija masę po jų derinio D M. Jei juos sujungsite, jie susijungs, išleisdami energiją D ponia 2. Šis procesas vadinamas branduolių sintezė . Masės skirtumas gali viršyti 0,5%.

Jei sunkusis branduolys suskils į du lengvesnius branduolius, jų masė bus 0,1% mažesnė už pradinio branduolio masę. Sunkieji branduoliai linkę padalinysį du lengvesnius branduolius išskirdami energiją. Energija atominė bomba o branduolinis reaktorius atstoja energiją , išsiskyrė branduolio dalijimosi metu . Energija vandenilio bomba yra energija, išsiskirianti, kai branduolių sintezė. Alfa skilimas gali būti laikomas labai asimetrišku skilimu, kuriame pirminis branduolys M skyla į mažą alfa dalelę ir didelį liekamąjį branduolį. Alfa skilimas įmanomas tik tada, jei reakcija

svorio M pasirodo esanti didesnė už masių ir alfa dalelės sumą. Visi šerdys su Z> 82 (švinas) .At Z> 92 (urano) alfa skilimo pusperiodis pasirodo gerokai ilgesnis nei Žemės amžius, o gamtoje tokių elementų nėra. Tačiau jie gali būti sukurti dirbtinai. Pavyzdžiui, plutonis ( Z= 94) galima gauti iš urano branduoliniame reaktoriuje. Ši procedūra tapo įprasta ir kainuoja tik 15 dolerių už 1 g Iki šiol buvo galima gauti elementų iki Z= 118, tačiau už daug didesnę kainą ir, kaip taisyklė, nedideliais kiekiais. Galima tikėtis, kad radiochemikai išmoks gauti, nors in nedideli kiekiai, nauji elementai su Z> 118.

Jei masyvų urano branduolį būtų galima padalyti į dvi nukleonų grupes, tai šios nukleonų grupės persitvarkytų į branduolius su stipresniu ryšiu. Restruktūrizavimo proceso metu būtų išleista energija. Savaiminis branduolio dalijimasis leidžiamas pagal energijos tvermės dėsnį. Tačiau galimas barjeras dalijimosi reakcijoms natūraliai atsirandančiuose branduoliuose yra toks didelis, kad savaiminio dalijimosi tikimybė yra daug mažesnė nei alfa skilimo tikimybė. 238 U branduolių pusinės eliminacijos laikas, palyginti su savaiminiu skilimu, yra 8 × 10 15 metų. Tai daugiau nei milijoną kartų didesnis už Žemės amžių. Jei neutronas susiduria su sunkiuoju branduoliu, jis gali pereiti į aukštesnį energijos lygisšalia elektrostatinio potencialo barjero viršaus padidės dalijimosi tikimybė. Sužadintos būsenos branduolys gali turėti didelį kampinį momentą ir įgyti ovalo formą. Branduolio periferijoje esančios sritys lengviau prasiskverbia pro barjerą, nes jos iš dalies jau yra už barjero. Pagrinde ovalo formos barjero vaidmuo dar labiau susilpnėja. Užfiksavus šerdies arba lėtas neutronas teigia su labai trumpam laikui gyvenimas, palyginti su padalijimu. Urano branduolio ir tipiškų skilimo produktų masių skirtumas yra toks, kad vidutiniškai urano dalijimosi metu išsiskiria 200 MeV energija. Likusi urano branduolio masė yra 2,2×10 5 MeV. Apie 0,1% šios masės paverčiama energija, kuri yra lygi 200 MeV ir 2,2 × 10 5 MeV santykiui.

Energijos įvertinimas,išleido divizija,galima gauti iš Weizsäcker formulės :

Kai branduolys dalijasi į du fragmentus, pasikeičia paviršiaus energija ir Kulono energija , ir paviršiaus energija didėja, o Kulono energija mažėja. Dalijimasis įmanomas, kai dalijimosi metu išsiskiria energija E > 0.

.

Čia A 1 = A/2, Z 1 = Z/2. Iš to gauname, kad dalijimasis yra energetiškai palankus, kai Z 2 /A> 17. Didumas Z 2 /A paskambino dalijamumo parametras . Energija E, išsiskiriantis dalijimosi metu, didėja didėjant Z 2 /A.

Dalijimosi proceso metu branduolys keičia formą – nuosekliai pereina šias stadijas (9.4 pav.): rutulys, elipsoidas, hantelis, dvi kriaušės formos skeveldros, du sferiniai fragmentai.

Po skilimo, o fragmentai yra daug didesniu atstumu vienas nuo kito nei jų spindulys, fragmentų potenciali energija, nustatoma pagal Kulono sąveika tarp jų galima laikyti lygiu nuliui.

Dėl branduolio formos raidos jo kitimo potencinė energija nulemtas paviršiaus ir Kulono energijų sumos pokyčio . Daroma prielaida, kad šerdies tūris deformacijos metu išlieka nepakitęs. Šiuo atveju paviršiaus energija didėja, kai didėja branduolio paviršiaus plotas. Kulono energija mažėja, kai didėja vidutinis atstumas tarp nukleonų. Esant mažoms elipsoidinėms deformacijoms, paviršiaus energijos padidėjimas vyksta greičiau nei Kulono energijos sumažėjimas.

Sunkiųjų branduolių srityje paviršiaus ir Kulono energijų suma didėja didėjant deformacijai. Esant mažoms elipsoidinėms deformacijoms, paviršiaus energijos padidėjimas užkerta kelią tolesniems branduolio formos pokyčiams, taigi ir skilimui. Potencialaus barjero buvimas apsaugo nuo momentinio savaiminio branduolių dalijimosi. Kad branduolys akimirksniu suskiltų, jam turi būti suteikta energija, viršijanti dalijimosi barjero aukštį N.

Barjeros aukštis N daugiau nei mažiau požiūrio Kulonas ir paviršiaus energija pradiniame branduolyje. Šis santykis savo ruožtu didėja didėjant dalijamumo parametrui Z 2 /A. Kuo sunkesnė šerdis, tuo mažesnis užtvaros aukštis N, nes dalumo parametras didėja didėjant masės skaičiui:

Sunkesni branduoliai paprastai turi perduoti mažiau energijos, kad sukeltų dalijimąsi. Iš Weizsäcker formulės matyti, kad skilimo barjero aukštis išnyksta ties . Tie. pagal lašelių modelį gamtoje neturėtų būti branduolių, nes jie beveik akimirksniu (dėl charakteristikos branduolinis laikas apie 10–22 s) spontaniškai dalijasi. Atomų branduolių su (" stabilumo sala “) paaiškinama atomų branduolių apvalkalo struktūra. Savaiminis branduolių dalijimasis su , kuriam kliūties aukštis N nelygu nuliui, žiūrint iš taško klasikinė fizika neįmanomas. Kvantinės mechanikos požiūriu toks padalijimas galimas dėl fragmentų, praeinančių per potencialų barjerą, ir vadinamas savaiminis skilimas . Savaiminio dalijimosi tikimybė didėja didėjant dalijimosi parametrui, t.y. su mažėjančiu skilimo barjero aukščiu.

Priverstinis branduolių dalijimasis su gali sukelti bet kokios dalelės: fotonai, neutronai, protonai, deuteronai, α dalelės ir kt., jei energijos, kurią jie įneša į branduolį, pakanka skilimo barjerui įveikti.

Šiluminių neutronų dalijimosi metu susidarančių fragmentų masės nėra lygios. Branduolys linkęs skilti taip, kad pagrindinė fragmento nukleonų dalis suformuotų stabilią magišką šerdį. Fig. 9.5 paveiksle parodytas masės pasiskirstymas dalijimo metu. Labiausiai tikėtinas masės skaičių derinys yra 95 ir 139.

Neutronų skaičiaus ir protonų skaičiaus santykis branduolyje yra 1,55, o stabilūs elementai, kurio masė artima skilimo fragmentų masei, šis santykis yra 1,25 - 1,45. Vadinasi, dalijimosi fragmentai yra labai perkrauti neutronais ir yra nestabilūs β-skilimui – jie yra radioaktyvūs.

Dėl dalijimosi išsiskiria ~200 MeV energija. Apie 80% jo gaunama iš fragmentų energijos. Per vieną dalijimosi veiksmą susidaro daugiau nei du dalijimosi neutronai su vidutinė energija~ 2 MeV.

1 g bet kurios medžiagos yra . Skilus 1 g urano, išsiskiria ~ 9 × 10 10 J. Tai beveik 3 milijonus kartų daugiau nei 1 g anglies deginimo energija (2,9 × 10 4 J). Žinoma, 1 g urano yra daug brangesnis nei 1 g anglies, tačiau 1 J energijos, gaunamos deginant anglį, kaina yra 400 kartų didesnė nei urano kuro atveju. 1 kWh energijos pagaminimas anglimi kūrenamose elektrinėse kainavo 1,7 cento, o atominėse – 1,05 cento.

Ačiū grandininė reakcija gali būti atliktas branduolio dalijimosi procesas save išlaikantis . Su kiekvienu skilimu išsiskiria 2 arba 3 neutronai (9.6 pav.). Jei vienam iš šių neutronų pavyksta sukelti kito urano branduolio skilimą, procesas vyks savaime.

Šį reikalavimą tenkinantis skiliųjų medžiagų rinkinys vadinamas kritinis susirinkimas . Pirmasis toks susirinkimas, vadinamas branduolinis reaktorius , buvo pastatytas 1942 m., vadovaujant Enrico Fermi, Čikagos universiteto teritorijoje. Pirmasis branduolinis reaktorius buvo paleistas 1946 m., vadovaujant I. Kurchatovui Maskvoje. Pirmas atominė jėgainė 5 MW galios buvo paleistas SSRS 1954 metais Obninske (9.7 pav.).

Mišios ir tu taip pat gali padaryti superkritinis . Šiuo atveju dalijimosi metu susidarę neutronai sukels kelis antrinius dalijimus. Kadangi neutronai sklinda didesniu nei 10 8 cm/s greičiu, superkritinis mazgas gali visiškai sureaguoti (arba išskristi) greičiau nei per tūkstantąją sekundės dalį. Toks prietaisas vadinamas atominė bomba . Branduolinis užtaisas iš plutonio arba urano perkeliamas į superkritinę būseną, dažniausiai sprogimo pagalba. Subkritinė masė yra apsupta cheminių sprogmenų. Kai jis sprogsta, plutonio arba urano masė akimirksniu suspaudžiama. Kadangi sferos tankis žymiai padidėja, neutronų absorbcijos greitis yra didesnis nei neutronų praradimo greitis dėl jų išėjimo į išorę. Tai yra superkritiškumo sąlyga.

Fig. 9.8 paveiksle parodyta ant Hirosimos numestos Little Boy atominės bombos schema. Branduolinis sprogmuo bomboje buvo padalintas į dvi dalis, kurių masė buvo mažesnė už kritinę masę. Sprogimui reikalinga kritinė masė buvo sukurta sujungiant abi dalis „pistoleto metodu“ naudojant įprastus sprogmenis.

Sprogstant 1 tonai trinitrotolueno (TNT) išsiskiria 10 9 cal, arba 4 × 10 9 J. Sprogstant atominei bombai, kuri sunaudoja 1 kg plutonio, išsiskiria apie 8 × 10 13 J energijos.

Arba tai yra beveik 20 000 kartų daugiau nei 1 tonos trotilo sprogimas. Tokia bomba vadinama 20 kilotonų bomba. Šiuolaikinės bombos megatonų sprogmenų yra milijonus kartų galingesni už įprastinius TNT sprogmenis.

Plutonio gamyba pagrįsta 238 U apšvitinimu neutronais, todėl susidaro izotopas 239 U, kuris dėl beta skilimo virsta 239 Np, o po kito beta skilimo į 239 Pu. Kai absorbuojamas mažos energijos neutronas, abu izotopai 235 U ir 239 Pu dalijasi. Skilimo produktams būdingas stipresnis surišimas (~1 MeV vienam nukleonui), dėl kurio dėl dalijimosi išsiskiria apie 200 MeV energijos.

Kiekvienas sunaudotas plutonio ar urano gramas sukuria beveik gramą radioaktyvių skilimo produktų, kurie turi didžiulį radioaktyvumą.

Norėdami peržiūrėti demonstracines versijas, spustelėkite atitinkamą hipersaitą: