Ядрено делене. Произход на енергията на делене на тежки ядра
>> делене на уран
§ 107 ДЕЛЕНИЕ НА ЯДРАТА НА УРАН
Само ядрата на някои тежки елементи могат да бъдат разделени на части. По време на деленето на ядрото се излъчват два или три неутрона и -лъчи. В същото време се освобождава много енергия.
Откриване на деленето на уран.Деленето на урановите ядра е открито през 1938 г. от немските учени О. Хан и Ф. Щрасман. Те откриха, че когато уранът се бомбардира с неутрони, възникват елементи от средната част. периодична система: барий, криптон и др. Въпреки това, правилното тълкуване на този факт именно като делене на ураново ядро, което улови неутрон, е дадено в началото на 1939 г. от английския физик О. Фриш заедно с австрийския физик Л. Майтнер.
Улавянето на неутрон разрушава стабилността на ядрото. Ядрото се възбужда и става нестабилно, което води до разделянето му на фрагменти. Ядреното делене е възможно, тъй като масата на покой на тежкото ядро е по-голяма от сумата на масите на покой на фрагментите, които възникват по време на деленето. Следователно има освобождаване на енергия, еквивалентно на намаляване на масата на покой, което придружава деленето.
Възможността за делене на тежки ядра може да се обясни и с помощта на графика на зависимостта на специфичната енергия на свързване от масовото число А (виж фиг. 13.11). Специфична енергия на свързване на атомните ядра на елементите, заемащи периодичната система последни места(A 200), приблизително 1 MeV по-малко от специфичната енергия на свързване в ядрата на елементите, разположени в средата на периодичната система (A 100). Следователно процесът на делене на тежки ядра в ядра на елементи в средната част на периодичната система е енергийно благоприятен. След делене системата преминава в състояние с минимална вътрешна енергия. В края на краищата, колкото по-голяма е енергията на свързване на ядрото, толкова по-голяма енергия трябва да бъде освободена, когато ядрото възниква и следователно, толкова по-ниска е вътрешната енергия на новообразуваната система.
По време на ядрено делене енергията на свързване на нуклон се увеличава с 1 MeV, а общата освободена енергия трябва да е огромна - около 200 MeV. Никоя друга ядрена реакция (несвързана с делене) не освобождава толкова големи енергии.
Директните измервания на енергията, освободена по време на деленето на урановото ядро, потвърдиха горните съображения и дадоха стойност от 200 MeV. Освен това по-голямата част от тази енергия (168 MeV) пада върху кинетичната енергия на фрагментите. На фигура 13.13 виждате следите от делящи се фрагменти от уран в облачна камера.
Енергията, освободена по време на ядрено делене, е по-скоро от електростатичен, отколкото от ядрен произход. Голямата кинетична енергия, която притежават фрагментите, се дължи на тяхното кулоново отблъскване.
механизъм на ядрено делене.Процесът на ядрено делене може да се обясни въз основа на капковия модел на ядрото. Според този модел куп нуклони прилича на капка заредена течност (фиг. 13.14, а). Ядрените сили между нуклоните са с малък обсег, като силите, действащи между течните молекули. Заедно с големи силиелектростатично отблъскване между протони, стремящи се да разкъсат ядрото, има още по-големи ядрени сили на привличане. Тези сили предпазват ядрото от разпадане.
Ядрото на уран-235 е сферично. След като абсорбира допълнителен неутрон, той се възбужда и започва да се деформира, придобивайки удължена форма (фиг. 13.14, b). Ядрото ще се разтегне, докато силите на отблъскване между половините на удълженото ядро започнат да преобладават над силите на привличане, действащи в провлака (фиг. 13.14, c). След това се разкъсва на две части (фиг. 13.14, d).
Под действието на силите на отблъскване на Кулон тези фрагменти се разлитат със скорост, равна на 1/30 от скоростта на светлината.
Излъчване на неутрони по време на делене.Основният факт на ядреното делене е излъчването на два или три неутрона по време на делене. Това направи възможно практическа употребавътрешноядрена енергия.
Възможно е да се разбере защо се излъчват свободни неутрони от следните съображения. Известно е, че съотношението на броя на неутроните към броя на протоните в стабилните ядра нараства с увеличаване на атомния номер. Следователно във фрагментите, които възникват по време на делене, относителният брой неутрони се оказва по-голям от допустимия за ядрата на атомите, разположени в средата на периодичната таблица. В резултат на това в процеса на делене се освобождават няколко неутрона. Тяхната енергия има различни стойности - от няколко милиона електронволта до много малки, близки до нулата.
Деленето обикновено се извършва на фрагменти, чиито маси се различават около 1,5 пъти. Тези фрагменти са силно радиоактивни, тъй като съдържат излишно количество неутрони. В резултат на поредица от последователни разпади в крайна сметка се получават стабилни изотопи.
В заключение отбелязваме, че има и спонтанно делене на уранови ядра. Открит е от съветските физици Г. Н. Флеров и К. А. Петржак през 1940 г. Времето на полуразпад на спонтанното делене е 10 16 години. Това е два милиона пъти по-дълго от времето на полуразпад на урана.
Реакцията на ядрено делене е придружена от освобождаване на енергия.
Съдържание на урока резюме на урокаопорна рамка презентация на уроци ускорителни методи интерактивни технологии Практикувайте задачи и упражнения самопроверка работилници, обучения, казуси, куестове домашни дискусионни въпроси риторични въпроси от студенти Илюстрации аудио, видео клипове и мултимедияснимки, картинки графики, таблици, схеми хумор, анекдоти, вицове, комикси притчи, поговорки, кръстословици, цитати Добавки резюметастатии чипове за любознателни измамни листове учебници основни и допълнителни речник на термините други Подобряване на учебниците и уроцитекоригиране на грешки в учебникаактуализиране на фрагмент в учебника елементи на иновация в урока замяна на остарели знания с нови Само за учители перфектни уроци календарен план за годината насокидискусионни програми Интегрирани уроциПрез 1934 г. Е. Ферми решава да получи трансуранови елементи чрез облъчване на 238 U с неутрони. Идеята на Е. Ферми беше, че в резултат на β-разпадането на изотопа 239 U се образува химичен елемент с пореден номер Z = 93. Обаче не беше възможно да се идентифицира образуването на 93-ия елемент. Вместо това, в резултат на радиохимичния анализ на радиоактивни елементи, извършен от О. Хан и Ф. Щрасман, беше показано, че един от продуктите на облъчване на уран с неутрони е барий (Z = 56) - химичен елемент със средно атомно тегло , докато според предположението на теорията на Ферми трябва да са произведени трансуранови елементи.
Л. Мейтнер и О. Фриш предполагат, че в резултат на улавянето на неутрон от ураново ядро, съставното ядро се разпада на две части
92 U + n → 56 Ba + 36 Kr + xn.
Процесът на делене на урана е придружен от появата на вторични неутрони (x > 1), които могат да причинят делене на други уранови ядра, което отваря потенциал за възникване на верижна реакция на делене - един неутрон може да доведе до разклонена верига от делене на уранови ядра. В този случай броят на отделените ядра трябва да нараства експоненциално. Н. Бор и Дж. Уилър изчисляват критичната енергия, необходима за разцепването на ядрото 236 U, образувано в резултат на улавянето на неутрон от изотопа 235 U. Тази стойност е 6,2 MeV, което е по-малко от енергията на възбуждане на изотопа 236 U, образуван по време на улавянето на топлинен неутрон 235 U. Следователно, когато се уловят топлинни неутрони, е възможна верижна реакция на делене на 235 U. За повечето общ изотоп 238 U, критичната енергия е 5,9 MeV, докато при улавяне на топлинен неутрон енергията на възбуждане на полученото ядро 239 U е само 5,2 MeV. Следователно верижната реакция на делене на най-често срещания в природата изотоп 238 U под действието на топлинни неутрони е невъзможна. При едно събитие на делене се освобождава енергия от ≈ 200 MeV (за сравнение, в химична реакцияизгаряне в един акт на реакцията се освобождава енергия от ≈ 10 eV). Възможността за създаване на условия за верижна реакция на делене отвори перспективи за използване на енергията на верижна реакция за създаване на атомни реактори и атомни оръжия. Първият ядрен реактор е построен от Е. Ферми в САЩ през 1942 г. В СССР първият ядрен реактор е пуснат под ръководството на И. Курчатов през 1946 г. През 1954 г. в Обнинск започва да работи първата атомна електроцентрала в света. В момента електрическата енергия се генерира в около 440 ядрени реактора в 30 страни по света.
През 1940 г. Г. Флеров и К. Петржак откриват спонтанното делене на урана. Следните цифри свидетелстват за сложността на експеримента. Частичният полуживот по отношение на спонтанното делене на изотопа 238 U е 10 16 –10 17 години, докато периодът на разпадане на изотопа 238 U е 4,5∙10 9 години. Основният канал на разпадане на изотопа 238 U е α-разпадането. За да се наблюдава спонтанното делене на изотопа 238 U, беше необходимо да се регистрира едно събитие на делене на фона на 10 7 –10 8 събития на α-разпад.
Вероятността за спонтанно делене се определя главно от пропускливостта на бариерата на делене. Вероятността за спонтанно делене се увеличава с увеличаване на заряда на ядрото, тъй като. това увеличава параметъра на разделяне Z 2 /A. В Z изотопи< 92-95
деление происходит преимущественно с образованием двух осколков деления с
отношением масс тяжёлого и лёгкого осколков 3:2. В изотопах
Z >100, преобладава симетричното делене с образуването на фрагменти с еднаква маса. С увеличаването на заряда на ядрото делът на спонтанното делене се увеличава в сравнение с α-разпадането.
| Изотоп | Половин живот | канали на гниене |
|---|---|---|
| 235 U | 7.04 10 8 години | α (100%), SF (7 10 -9%) |
| 238 U | 4.47 10 9 години | α (100%), SF (5,5 10 -5%) |
| 240 Pu | 6,56 10 3 години | α (100%), SF (5,7 10 -6%) |
| 242 Pu | 3,75 10 5 години | α (100%), SF (5,5 10 -4%) |
| 246см | 4,76 10 3 години | α (99,97%), SF (0,03%) |
| 252 вж | 2,64 години | α (96,91%), SF (3,09%) |
| 254 вж | 60,5 години | α (0,31%), SF (99,69%) |
| 256 вж | 12,3 години | α (7,04 10 -8%), SF (100%) |
Ядрено делене. История
1934 г- Е. Ферми, облъчвайки урана с топлинни неутрони, открива сред продуктите на реакцията радиоактивни ядра, чиято природа не може да бъде установена.
L. Szilard представи идеята за ядрена верижна реакция.
1939 г− О. Хан и Ф. Щрасман откриват бария сред продуктите на реакцията.
Л. Майтнер и О. Фриш за първи път обявиха, че под действието на неутрони уранът се разделя на два фрагмента, сравними по маса.
N. Bohr и J. Wheeler дадоха количествена интерпретация на ядреното делене чрез въвеждане на параметъра на делене.
Я. Френкел разработи капковата теория на ядреното делене от бавни неутрони.
Л. Силард, Е. Вигнер, Е. Ферми, Дж. Уилър, Ф. Жолио-Кюри, Я. Зелдович, Ю. Харитон обосноваха възможността за верижна реакция на ядрено делене, протичаща в уран.
1940 г− Г. Флеров и К. Петржак откриват явлението спонтанно делене на U уранови ядра.
1942 г− Е. Ферми извърши контролирана верижна реакция на делене в първия атомен реактор.
1945 г− Първи тест ядрени оръжия(Невада, САЩ). Върху японските градове Хирошима (6 август) и Нагасаки (9 август) американските войски се спуснаха атомни бомби.
1946 г− Под ръководството на I.V. Курчатов е пуснат първият реактор в Европа.
1954 г− Пусната е първата в света атомна електроцентрала (Обнинск, СССР).
Ядрено делене.От 1934 г. Е. Ферми започва да използва неутрони за бомбардиране на атоми. Оттогава броят на стабилните или радиоактивни ядра, получени чрез изкуствена трансформация, се е увеличил до много стотици и почти всички места в периодичната таблица са запълнени с изотопи.
Атомите, възникващи във всички тези ядрени реакции, заемат същото място в периодичната таблица като бомбардирания атом или съседни места. Следователно доказателството от Хан и Щрасман през 1938 г. на факта, че когато неутроните бомбардират последния елемент от периодичната система−уран−разпад на елементи, които са в средните части на периодичната система. Представяне тук различни видовегниене. Атомите, които възникват, са предимно нестабилни и веднага се разпадат допълнително; някои имат полуживот, измерен в секунди, така че Gan трябваше да кандидатства аналитичен методКюри, за да удължи толкова бърз процес. Важно е да се отбележи, че елементите преди урана, протактиний и торий, също показват подобен разпад под действието на неутрони, въпреки че е необходима по-висока неутронна енергия, за да започне разпадането, отколкото в случая на уран. Заедно с това през 1940 г. Г. Н. Флеров и К. А. Петржак откриват спонтанно делене на ядрото на урана с най-дългия известен дотогава период на полуразпад: около 2· 10 15 години; този факт става ясен поради неутроните, освободени в процеса. Така беше възможно да се разбере защо "естествената" периодична система завършва с трите посочени елемента. Вече са известни трансуранови елементи, но те са толкова нестабилни, че бързо се разпадат.
Деленето на урана с помощта на неутрони сега прави възможно използването на атомна енергия, която вече е била представяна от мнозина като "мечтата на Жул Верн".
М. Лауе, История на физиката
1939 г. О. Хан и Ф. Щрасман, облъчвайки уранови соли с топлинни неутрони, откриват сред продуктите на реакцията барий (Z = 56)
 Ото Гън (1879 – 1968) |
Ядреното делене е разделянето на ядрото на две (рядко три) ядра с подобни маси, които се наричат фрагменти на делене. При деленето възникват и други частици - неутрони, електрони, α-частици. В резултат на деленето се освобождава енергия от ~200 MeV. Деленето може да бъде спонтанно или принудително под действието на други частици, най-често неутрони.
Характерна особеност на деленето е, че фрагментите на делене като правило се различават значително по маса, т.е. преобладава асиметричното делене. По този начин, в случай на най-вероятно делене на урановия изотоп 236 U, съотношението на масата на фрагмента е 1,46. Тежкият фрагмент има масово число 139 (ксенон), а лекият фрагмент има масово число 95 (стронций). Като се вземе предвид излъчването на два незабавни неутрона, разглежданата реакция на делене има формата
Нобелова награда за химия
1944 - О. Ган.
За откриването на реакцията на делене на урановите ядра от неутрони.
Части от делене
Зависимост на средните маси на леки и тежки групи фрагменти от масата на делящото се ядро.
Откриване на ядреното делене. 1939 г
Дойдох в Швеция, където Лиз Майтнер страдаше от самота, и като отдаден племенник реших да я посетя на Коледа. Тя живееше в малкия хотел Kungälv близо до Гьотеборг. Хванах я на закуска. Тя се замисли върху писмото, което току-що бе получила от Хан. Бях много скептичен относно съдържанието на писмото, което съобщаваше за образуването на барий чрез облъчване на уран с неутрони. Тя обаче беше привлечена от тази възможност. Вървяхме в снега, тя вървеше, аз карах ски (тя каза, че може да мине така, без да изостава от мен и го доказа). В края на разходката вече успяхме да формулираме някои изводи; ядрото не се е разцепило и от него не са отлетяли парчета, но това е процес, който по-скоро прилича на капковия модел на ядрото на Бор; подобно на капка, ядрото може да се удължи и да се раздели. След това проучих как електрически заряднуклоните намалява повърхностното напрежение, което, както успях да установя, пада до нула при Z = 100 и може би е много малко за урана. Lise Meitner беше ангажирана с определянето на енергията, освободена по време на всеки разпад поради масов дефект. Тя имаше много ясна представа за кривата на масовия дефект. Оказа се, че поради електростатично отблъскване елементите на делене ще придобият енергия от около 200 MeV и това точно съответства на енергията, свързана с дефект на масата. Следователно процесът може да протече чисто класически, без да включва концепцията за преминаване през потенциална бариера, която, разбира се, ще се окаже безполезна тук.
Прекарахме два-три дни заедно по Коледа. След това се върнах в Копенхаген и едва имах време да кажа на Бор за нашата идея точно в момента, когато той вече се качваше на парахода за САЩ. Спомням си как той се плесна по челото, щом започнах да говоря, и възкликна: „Ах, какви глупаци бяхме! Трябваше да забележим това по-рано." Но той не забеляза и никой не забеляза.
Lise Meitner и аз написахме статия. В същото време непрекъснато поддържахме връзка по междуградския телефон Копенхаген - Стокхолм.
О. Фриш, Мемоари. UFN. 1968. Т. 96, брой 4, с. 697.
Спонтанно ядрено делене
В експериментите, описани по-долу, използвахме метода, предложен за първи път от Frisch за записване на процесите на ядрено делене. Йонизационна камера с плочи, покрити със слой от уранов оксид, е свързана към линеен усилвател, настроен по такъв начин, че α частиците, излъчвани от уран, да не се регистрират от системата; импулсите от фрагментите, които са много по-големи от импулсите от α-частиците, отключват изходния тиратрон и се считат за механично реле.
Специално е проектирана йонизационна камера под формата на многослоен плосък кондензатор с обща площ от 15 пластини от 1000 cm. 2
.
Още в първите експерименти с усилвател, настроен да брои фрагментите, беше възможно да се наблюдават спонтанни (при липса на неутронен източник) импулси на реле и осцилоскоп. Броят на тези импулси беше малък (6 на 1 час) и следователно е напълно разбираемо, че това явление не можеше да се наблюдава с камери от обичайния тип ...
Склонни сме да мислим така ефектът, който наблюдаваме, трябва да се припише на фрагментите, получени от спонтанното делене на уран ...
Спонтанното делене трябва да се припише на един от невъзбудените U изотопи с полуживот, получен от оценка на нашите резултати:
U 238
– 10
16
~ 10
17
години,
U 235
– 10
14
~ 10
15
години,
U 234
– 10
12
~ 10
13
години.
Изотопно разпадане 238 U
Спонтанно ядрено делене
Време на полуразпад на спонтанно делящи се изотопи Z = 92 - 100
Първата експериментална система с уран-графитна решетка е построена през 1941 г. под ръководството на Е. Ферми. Представляваше графитен куб с ребро с дължина 2,5 м, съдържащ около 7 тона уранов оксид, затворен в железни съдове, които бяха поставени в куба на еднакво разстояние един от друг. Източник на неутрони RaBe беше поставен на дъното на уран-графитната решетка. Коефициентът на умножение в такава система беше ≈0,7. Урановият оксид съдържа от 2 до 5% примеси. Допълнителни усилия бяха насочени към получаване на по-чисти материали и до май 1942 г. беше получен уранов оксид, в който примесът беше по-малък от 1%. За да се осигури верижна реакция на делене, беше необходимо да се използва голямо количество графит и уран - от порядъка на няколко тона. Примесите трябваше да бъдат по-малко от няколко части на милион. Реакторът, сглобен в края на 1942 г. от Ферми в Чикагския университет, имаше формата на непълен сфероид, отрязан отгоре. Той съдържаше 40 тона уран и 385 тона графит. Вечерта на 2 декември 1942 г., след като прътите за поглъщане на неутрони бяха отстранени, беше открито, че вътре в реактора протича ядрена верижна реакция. Измереният коефициент е 1,0006. Първоначално реакторът работи на ниво на мощност от 0,5 W. До 12 декември мощността му беше увеличена до 200 вата. Впоследствие реакторът е преместен на по-безопасно място, а мощността му е увеличена до няколко kW. В този случай реакторът консумира 0,002 g уран-235 на ден.
Първият ядрен реактор в СССР
Сградата за първия изследователски ядрен реактор Ф-1 в СССР е готова до юни 1946 г.
След като са проведени всички необходими експерименти, е разработена системата за управление и защита на реактора, установени са размерите на реактора, проведени са всички необходими експерименти с модели на реактори, определена е неутронната плътност на няколко модела, получени са графитни блокове (т.нар. ядрена чистота) и (след неутронно-физични проверки) уранови блокове, през ноември 1946 г. започва изграждането на реактор F-1.
Общият радиус на реактора е 3,8 м. Необходими са 400 тона графит и 45 тона уран. Реакторът е сглобен на слоеве, като в 15:00 часа на 25 декември 1946 г. е сглобен последният, 62-ри, слой. След изваждането на така наречените аварийни пръти контролният прът е вдигнат, започва отчитане на неутронната плътност и в 18 часа на 25 декември 1946 г. първият реактор в СССР оживява и заработва. Това беше вълнуваща победа за учените - създателите на ядрения реактор и за целия съветски народ. Година и половина по-късно, на 10 юни 1948 г., промишленият реактор с вода в каналите достига критично състояние и скоро започва промишленото производство на нов вид ядрено гориво - плутоний.
Как е открит и описан този процес. Разкрива се използването му като източник на енергия и ядрено оръжие.
"Неделим" атом
Двадесет и първи век е пълен с изрази като "енергията на атома", "ядрена технология", "радиоактивни отпадъци". От време на време в заглавия във вестницитетрептящи съобщения за възможност радиоактивно замърсяванепочва, океани, антарктически лед. Обикновеният човек обаче често няма много добра представа какво представлява тази област на науката и как тя помага в Ежедневието. Струва си да започнем, може би, с историята. Още с първия въпрос, зададен от добре нахранен и облечен човек, той се заинтересува как е устроен светът. Как вижда окото, защо чува ухото, как водата се различава от камъка - това е вълнувало мъдреците от незапомнени времена. Също така в древна индияи Гърция, някои любознателни умове предположиха, че има минимална частица (наричана още „неделима“), която има свойствата на материал. Средновековните химици потвърждават предположението на мъдреците и съвременната дефиниция на атома е следната: атомът е най-малката частица от веществото, което е носител на неговите свойства.
Части от атом
Развитието на технологиите (по-специално фотографията) обаче доведе до факта, че атомът вече не се счита за най-малката възможна частица материя. И въпреки че един атом е електрически неутрален, учените бързо разбраха, че той се състои от две части с различни заряди. Броят на положително заредените части компенсира броя на отрицателните, така че атомът остава неутрален. Но нямаше недвусмислен модел на атома. Тъй като по това време класическата физика все още доминираше, бяха направени различни предположения.
Модели на атома
Отначало беше предложен моделът "кифличка със стафиди". Положителният заряд, така да се каже, изпълни цялото пространство на атома, а отрицателните заряди бяха разпределени в него, като стафиди в кифличка. Известният определи следното: в центъра на атома има много тежък елемент с положителен заряд (ядрото), а наоколо са разположени много по-леки електрони. Масата на ядрото е стотици пъти по-тежка от сбора на всички електрони (съставлява 99,9 процента от масата на целия атом). Така се ражда планетарният модел на атома на Бор. Някои от елементите му обаче противоречат на приетата тогава класическа физика. Следователно, нов квантова механика. С появата му започва некласическият период на науката.
Атом и радиоактивност
От всичко казано по-горе става ясно, че ядрото е тежката, положително заредена част от атома, която съставлява основната му маса. Когато позициите на електроните в орбитата на атома бяха добре проучени, беше време да разберем природата на атомното ядро. На помощ идва гениалната и неочаквано открита радиоактивност. Това помогна да се разкрие същността на тежката централна част на атома, тъй като източникът на радиоактивност е ядреното делене. В началото на деветнадесети и двадесети век откритията валят едно след друго. Теоретично решениеедин проблем наложи нови експерименти. Резултатите от експериментите породиха теории и хипотези, които трябваше да бъдат потвърдени или опровергани. Често най-големите откритиясе появи просто защото по този начин формулата стана удобна за изчисления (както например квантът на Макс Планк). Дори в началото на ерата на фотографията учените знаеха, че урановите соли осветяват фоточувствителен филм, но не подозираха, че ядреното делене е в основата на това явление. Поради това радиоактивността е изследвана, за да се разбере природата на ядрения разпад. Очевидно радиацията е била генерирана от квантови преходи, но не е съвсем ясно какви. Семейство Кюри добиват чист радий и полоний, работейки почти на ръка в урановата руда, за да отговорят на този въпрос.
Радиационен заряд
Ръдърфорд направи много за изучаването на структурата на атома и направи принос в изследването на това как се случва деленето на атомното ядро. Ученият поставил радиацията, излъчвана от радиоактивен елемент, в магнитно поле и получил удивителен резултат. Оказа се, че радиацията се състои от три компонента: единият е неутрален, а другите два са положително и отрицателно заредени. Изследването на ядреното делене започва с определянето на неговите компоненти. Доказано е, че ядрото може да се раздели, да отдаде част от положителния си заряд.
Структурата на ядрото
По-късно се оказа, че атомното ядро се състои не само от положително заредени частици протони, но и от неутрални частици неутрони. Заедно те се наричат нуклони (от английския "nucleus", ядрото). Учените обаче отново се натъкнаха на проблем: масата на ядрото (т.е. броят на нуклоните) не винаги съответства на неговия заряд. При водорода ядрото има заряд +1, а масата може да бъде три, две и едно. На следващия в периодичната таблицазаряд на ядрото на хелий +2, докато ядрото му съдържа от 4 до 6 нуклона. По-сложните елементи могат да имат много повече различни маси за същия заряд. Такива вариации на атоми се наричат изотопи. Освен това някои изотопи се оказаха доста стабилни, докато други бързо се разпаднаха, тъй като се характеризираха с ядрено делене. Какъв принцип съответства на броя на нуклоните на стабилността на ядрата? Защо добавянето само на един неутрон към тежко и доста стабилно ядро доведе до неговото разцепване, до освобождаване на радиоактивност? По ирония на съдбата отговорът на това важен въпросвсе още не е намерен. Емпирично се оказа, че стабилните конфигурации на атомните ядра съответстват на определени количества протони и неутрони. Ако в ядрото има 2, 4, 8, 50 неутрона и/или протона, тогава ядрото определено ще бъде стабилно. Тези числа дори се наричат магически (и възрастните учени ги наричат така, ядрени физици). По този начин деленето на ядрата зависи от тяхната маса, т.е. от броя на нуклоните, включени в тях.
Капка, черупка, кристал
Определете фактора, който е отговорен за стабилността на ядрото, на този моментсе провали. Има много теории за модела, като трите най-известни и развити често си противоречат по различни въпроси. Според първия ядрото е капка от специална ядрена течност. Подобно на водата, тя се характеризира с течливост, повърхностно напрежение, коалесценция и разпад. В модела на черупката също има определени енергийни нива в ядрото, които са изпълнени с нуклони. Третият твърди, че ядрото е среда, която е способна да пречупва специални вълни (de Broglie), докато индексът на пречупване е. Все още обаче нито един модел не е успял да опише напълно защо, при определена критична маса на този конкретен химичен елемент, започва разцепването на ядрото.
Какво е разпадът
Радиоактивността, както бе споменато по-горе, е открита във вещества, които могат да бъдат намерени в природата: уран, полоний, радий. Например прясно добитият, чист уран е радиоактивен. Процесът на разделяне този случайще бъде спонтанен. Без никакви външни влияния определен брой уранови атоми ще излъчват алфа частици, спонтанно превръщайки се в торий. Има индикатор, наречен полуживот. Той показва за какъв период от време от първоначалния номер на частта ще остане около половината. Всеки радиоактивен елемент има свой собствен период на полуразпад – от части от секундата за Калифорния до стотици хиляди години за урана и цезия. Но има и принудителна радиоактивност. Ако ядрата на атомите бъдат бомбардирани с протони или алфа частици (хелиеви ядра) с висока кинетична енергия, те могат да се „разцепят“. Механизмът на трансформация, разбира се, е различен от това как се счупва любимата ваза на майката. Има обаче известна аналогия.
Атомна енергия
Досега не сме отговорили на практически въпрос: откъде идва енергията по време на ядрено делене. Като начало трябва да се изясни, че по време на образуването на ядрото действат специални ядрени сили, които се наричат силно взаимодействие. Тъй като ядрото се състои от много положителни протони, остава въпросът как те се слепват, защото електростатичните сили трябва силно да ги отблъскват един от друг. Отговорът е едновременно прост и не в същото време: ядрото се държи заедно чрез много бърз обмен между нуклони на специални частици - пи-мезони. Тази връзка живее невероятно кратко. Веднага щом обменът на пи-мезони спре, ядрото се разпада. Също така е известно със сигурност, че масата на ядрото е по-малка от сумата на всички съставни нуклони. Това явление се нарича масов дефект. Всъщност липсващата маса е енергията, която се изразходва за поддържане целостта на ядрото. Веднага щом някаква част се отдели от ядрото на атома, тази енергия се освобождава и се превръща в топлина в атомните електроцентрали. Тоест енергията на ядреното делене е ясна демонстрация известна формулаАйнщайн. Спомнете си, че формулата казва: енергията и масата могат да се превръщат една в друга (E=mc 2).
Теория и практика
Сега ще ви разкажем как това чисто теоретично откритие се използва в живота за производство на гигавати електричество. Първо, трябва да се отбележи, че контролираните реакции използват принудително ядрено делене. Най-често това е уран или полоний, който се бомбардира от бързи неутрони. Второ, невъзможно е да не разберем, че ядреното делене е придружено от създаването на нови неутрони. В резултат на това броят на неутроните в реакционната зона може да нарасне много бързо. Всеки неутрон се сблъсква с нови, все още непокътнати ядра, разделя ги, което води до увеличаване на отделянето на топлина. Това е верижната реакция на ядрено делене. Неконтролираното увеличаване на броя на неутроните в реактора може да доведе до експлозия. Точно това се случи през 1986 г АЕЦ Чернобил. Следователно в реакционната зона винаги има вещество, което абсорбира излишните неутрони, предотвратявайки катастрофа. Това е графит под формата на дълги пръчици. Скоростта на ядреното делене може да се забави чрез потапяне на прътите в реакционната зона. Уравнението е съставено специално за всяко активно радиоактивно вещество и частиците, които го бомбардират (електрони, протони, алфа частици). Въпреки това, крайната произведена енергия се изчислява съгласно закона за запазване: E1+E2=E3+E4. Тоест общата енергия на първоначалното ядро и частица (E1 + E2) трябва да бъде равна на енергията на полученото ядро и енергията, освободена в свободна форма (E3 + E4). Уравнението на ядрената реакция също показва какъв вид вещество се получава в резултат на разпадане. Например за уран U=Th+He, U=Pb+Ne, U=Hg+Mg. Тук не са дадени изотопите на химичните елементи, но това е важно. Например, има цели три възможности за делене на уран, при което различни изотопиолово и неон. В почти сто процента от случаите реакцията на ядрено делене произвежда радиоактивни изотопи. Тоест при разпадането на урана се получава радиоактивен торий. Торият може да се разпадне до протактиний, този до актиний и т.н. И бисмутът, и титанът могат да бъдат радиоактивни в тази серия. Дори водородът, който съдържа два протона в ядрото (със скорост на един протон), се нарича по различен начин - деутерий. Водата, образувана с такъв водород, се нарича тежка вода и запълва първичната верига в ядрените реактори.
Немирен атом
Изрази като "надпревара във въоръжаването", " студена война", "ядрена заплаха" модерен човекможе да изглежда историческо и неуместно. Но едно време всяко съобщение за новини почти по целия свят беше придружено от съобщения за това колко вида ядрени оръжия са изобретени и как да се справят с тях. Хората изградиха подземни бункери и се запасиха в случай на ядрена зима. Цели семейства са работили за изграждането на приюта. Дори мирното използване на реакциите на ядрено делене може да доведе до катастрофа. Изглежда, че Чернобил е научил човечеството да бъде внимателен в тази област, но стихиите на планетата се оказаха по-силни: земетресението в Япония повреди много надеждните укрепления на атомната електроцентрала Фукушима. Много по-лесно е енергията на ядрената реакция да се използва за унищожаване. Технолозите трябва само да ограничат силата на експлозията, за да не унищожат случайно цялата планета. Най-"хуманните" бомби, ако могат така да се нарекат, не замърсяват околната среда с радиация. Като цяло най-често използват неконтролирана верижна реакция. Това, което се стремят да избегнат в атомните електроцентрали с всички средства, се постига в бомбите по много примитивен начин. За всеки естествено радиоактивен елемент има определена критична маса от чисто вещество, в която верижната реакция се ражда от само себе си. За урана например е само петдесет килограма. Тъй като уранът е много тежък, той е само малка метална топка с диаметър 12-15 сантиметра. Първите атомни бомби, хвърлени над Хирошима и Нагасаки, са направени точно по този принцип: две неравни части чист уран просто се комбинират и генерират ужасяваща експлозия. Модерни оръжиявероятно е по-сложно. Въпреки това, около критична масане забравяйте: между малки обеми чист радиоактивен материал по време на съхранение трябва да има бариери, които не позволяват на частите да се свържат.
Източници на радиация
Всички елементи с ядрен заряд над 82 са радиоактивни. Почти всичко е по-леко химически елементипритежавам радиоактивни изотопи. Колкото по-тежко е ядрото, толкова по-кратък е животът му. Някои елементи (като Калифорния) могат да бъдат получени само по изкуствен път – чрез сблъсък на тежки атоми с по-леки частици, най-често в ускорители. Тъй като са много нестабилни, земната корате не съществуват: по време на формирането на планетата те много бързо се разпадат на други елементи. Могат да се добиват вещества с по-леки ядра, като уран. Този процес е дълъг, уранът, подходящ за извличане, дори в много богати руди, съдържа по-малко от един процент. Третият начин може би показва, че вече е започнала нова геоложка епоха. Това е извличане на радиоактивни елементи от радиоактивни отпадъци. След като горивото се изразходва в електроцентрала, на подводница или самолетоносач, се получава смес от първоначалния уран и крайното вещество, резултат от деленето. В момента това се счита за твърд радиоактивен отпадък и стои остър въпросът как да се погребе, за да не се замърсява заобикаляща среда. Въпреки това е вероятно в близко бъдеще от тези отпадъци да бъдат извлечени готови концентрирани радиоактивни вещества (например полоний).
Добре известно е, че енергията на делене на тежките ядра, която се използва за практически цели, е кинетичната енергия на фрагменти от оригиналните ядра. Но какъв е произходът на тази енергия, т.е. каква енергия се превръща в кинетична енергия на фрагменти?
Официалните мнения по този въпрос са изключително противоречиви. И така, Мухин пише, че голямата енергия, освободена по време на деленето на тежко ядро, се дължи на разликата в масовите дефекти в първоначалното ядро и фрагменти - и въз основа на тази логика той получава оценка на добива на енергия по време на делене на ядрото ураново ядро: „200 MeV. Но след това той пише, че енергията на тяхното кулоново отблъскване се превръща в кинетична енергия на фрагментите - която, когато фрагментите са близо един до друг, е една и съща »200 MeV. Близостта на двете оценки до експерименталната стойност е, разбира се, впечатляваща, но въпросът е уместен: дали разликата в масовите дефекти или енергията на кулоновото отблъскване все още се превръща в кинетичната енергия на фрагментите? Вие вече решавате за какво ни говорите - за стареца приили за чичо в Киев!
Теоретиците сами са създали тази задънена дилема: според тяхната логика те със сигурност изискват както разликата в масовите дефекти, така и кулоновото отблъскване. Откажете едното или другото и безполезността на традиционните първоначални допускания в ядрената физика става съвсем очевидна. Например, защо говорят за разликата в масовите дефекти? Тогава, за да се обясни по някакъв начин самата възможност за явлението делене на тежки ядра. Те се опитват да ни убедят, че деленето на тежките ядра става, защото е енергийно изгодно. Какво са чудесата? По време на деленето на тежко ядро някои от ядрените връзки се разрушават - и енергиите на ядрените връзки се изчисляват в MeV! Нуклоните в ядрото са свързани с порядъци по-силни от атомните електрони. А опитът ни учи, че системата е стабилна именно в областта на енергийната рентабилност – и ако беше енергийно изгодно да се разпадне, щеше да се разпадне веднага. Но находища на уранови руди съществуват в природата! За каква „енергийна рентабилност“ на урановото ядрено делене можем да говорим?
За да не бъде твърде поразителен абсурдът на предположението, че деленето на тежко ядро е полезно, теоретиците са предприели отклоняваща маневра: те говорят за това „предимство“ по отношение на средната енергия на свързване, която се дължи на на нуклон. Наистина, с увеличаване на атомния номер, размерът на дефекта на масата в ядрото също се увеличава, но броят на нуклоните в ядрото нараства по-бързо - поради излишните неутрони. Следователно за тежките ядра общата енергия на свързване, преизчислена на нуклон, намалява с увеличаване на атомния номер. Изглежда, че споделянето е наистина полезно за тежките ядра? Уви, тази логика се основава на традиционни идеи, които покриват ядрените връзки всичконуклони в ядрото. С това предположение, средната енергия на свързване на нуклон д 1 е частното от делението на ядрената енергия на свързване D дза броя на нуклоните:
д 1=D д/А, Д д=(Зм p +( A-Z)m n)° С 2 -(Мпри - Зме)° С 2 , (4.13.1)
Където З- атомен номер, т.е. брой протони А- брой нуклони, мп, m nИ азса масите съответно на протона, неутрона и електрона, М at е масата на атома. Въпреки това, ние вече илюстрирахме неадекватността на традиционните идеи за ядрото по-горе ( 4.11 ). И ако, според логиката на предложения модел ( 4.12 ), когато изчисляваме енергията на свързване на нуклон, не вземайте предвид онези нуклони в ядрото, които временно не са покрити от ядрени връзки, тогава ще получим формула, различна от (4.13.1). Ако приемем, че текущият брой на свързаните нуклони е 2 З (4.12 ), и че всеки от тях е свързан само половината от времето на връзката ( 4.12 ), тогава за средната енергия на свързване на нуклон получаваме формулата
д 1*=D д/З , (4.13.2)
който се различава от (4.13.1) само в знаменателя. Изгладени функции д 1 (З) И д 1 * (З) са дадени на Фиг.4.13. За разлика от обичайния график д 1 (З), поставен в много учебници, графика д 1 * (З) има удивителна характеристика: демонстрира, за тежки ядра, независимостенергия на свързване на нуклон върху броя на нуклоните. Така че от нашия модел ( 4.12 ) следва, че не може да става дума за някакво "енергийно предимство" на деленето на тежки ядра - в съответствие със здравия разум. Тоест кинетичната енергия на фрагментите не може да се дължи на разликата в масовите дефекти на първоначалното ядро и фрагментите.
Фиг.4.13
В съответствие със същия здрав разум, енергията на тяхното кулоново отблъскване не може да се преобразува в кинетична енергия на фрагменти: дадохме като теоретични аргументи ( 4.7 , 4.12 ) и експериментални доказателства ( 4.12 ), че няма кулоново отблъскване за частиците, които изграждат ядрото.
Тогава какъв е произходът на кинетичната енергия на фрагменти от тежко ядро? Първо, нека се опитаме да отговорим на въпроса: защо при ядрена верижна реакция ядреното делене е ефективно причинено от неутрони, излъчени по време на предишно делене - освен това от топлинни неутрони, т.е. имащи енергии, които са пренебрежимо малки в ядрен мащаб. С факта, че топлинните неутрони имат способността да разграждат тежки ядра, изглежда трудно да се примири нашето заключение, че "прекомерните" - в момента - неутрони в тежките ядра са свободни ( 4.12 ). Едно тежко ядро е буквално натъпкано с термични неутрони, но изобщо не се разпада - въпреки че незабавното му делене кара един термичен неутрон, излъчен при предишното делене, да го удари.
Логично е да се предположи, че временно свободните топлинни неутрони в тежките ядра и топлинните неутрони, излъчени по време на деленето на тежки ядра, все още се различават един от друг. Тъй като и двете нямат ядрени прекъсвания, степента на свобода, в която те могат да се различават, трябва да има процес, който осигурява вътрешно свързване в неутрона - чрез циклични трансформации на неговите съставни двойки ( 4.10 ). И единствената степен на свобода, която виждаме тук, е възможността отслабванетази вътрешна връзка "на маса" ( 4.10 ), поради намаляване на честотата на цикличните трансформации в неутрона - с излъчване на съответните g-кванти. Привеждането на неутрони в такова отслабено състояние - например по време на разпада на тежки ядра, когато екстремни трансформации на енергия от една форма в друга - не ни изглежда нещо необичайно. Отслабеното състояние на неутрона очевидно се дължи на ненормалната работа на програмата, която формира неутрона във физическия свят - и в същото време е по-лесно за неутрона да се разпадне на протон и електрон. Изглежда, че средната продължителност на живота от 17 минути, измерена за неутрони, излъчени от ядрени реактори, което е характерно за отслабените неутрони. Неатенюираният неутрон е способен да живее, според нас, докато алгоритъмът, който го свързва, работи ( 4.10 ), т.е. за неопределено време.
Как отслабен неутрон унищожава тежко ядро? В сравнение с неотслабените неутрони, периодът на прекъсване на нуклонните пулсации се увеличава при отслабените неутрони. Ако такъв неутрон, който е влязъл в ядрото, ще има „включени” ядрени прекъсвания, така че той ще бъде свързан с някакъв протон, тогава описаният по-горе синхронизъм на превключване на връзките в тройката н 0 -стр + -н 0 (4.12 ) ще бъде невъзможно. В резултат на това синхронизмът на връзката в съответния а-комплекс ще бъде нарушен, което ще причини последователност от неуспешно превключване на връзката, които оптимално преформатират а-комплексите и осигуряват динамичната структура на ядрото ( 4.12 ). Образно казано, през ядрото ще премине пукнатина, породена не от силовото разкъсване на ядрените връзки, а от нарушенията на синхронизма на тяхното превключване. Забележете, че ключовият момент за описания сценарий е "включването" на ядрената връзка в отслабения неутрон - и за да се случи това "включване", неутронът трябва да има достатъчно малка кинетична енергия. Ето как обясняваме защо неутрони с кинетична енергия от няколкостотин keV възбуждат само тежко ядро, докато топлинните неутрони с енергия само от няколко стотни от eV могат ефективно да го разрушат.
какво виждаме Когато ядрото се раздели на два фрагмента, тези ядрени връзки "случайно" се разпадат, което в нормалния режим на тяхното превключване ( 4.12 ), свързва тези два фрагмента в оригиналното ядро. Възниква необичайна ситуация, при която собствените енергии на някои нуклони се намаляват от енергията на ядрените връзки, но самите тези връзки вече не съществуват. Тази случайност, според логиката на принципа на автономните енергийни трансформации ( 4.4 ), ситуацията веднага се коригира, както следва: собствените енергии на нуклоните остават такива, каквито са, а предишните енергии на скъсаните връзки се преобразуват в кинетичната енергия на нуклоните - и в крайна сметка в кинетичната енергия на фрагменти. По този начин енергията на делене на тежко ядро се дължи не на разликата между масовите дефекти на първоначалното ядро и фрагментите, а не на енергията на кулоновото отблъскване на фрагментите. Кинетичната енергия на фрагментите е предишната енергия на ядрените връзки, които държат тези фрагменти в първоначалното ядро. Това заключение се подкрепя от поразителния и малко известен факт за постоянството на кинетичната енергия на фрагментите, независимо от силата на удара, който инициира деленето на ядрото. Така че, когато деленето на уранови ядра е инициирано от протони с енергия 450 MeV, кинетичната енергия на фрагментите е 163 ± 8 MeV, т.е. толкова, колкото когато деленето се инициира от топлинни неутрони, с енергия в стотни от eV!
Въз основа на предложения модел, нека направим приблизителна оценка на енергията на делене на ядрото на урана според най-вероятния вариант, 92 U 235 ® 36 Kr 94 + 56 Ba 139 , в който фрагментите включват 18 и 28 a-комплекси . Ако приемем, че тези 18 и 28 a-комплекси са били свързани в първоначалното ядро с помощта на 8-10 комутирани връзки, тогава средна енергия 20 MeV всяка (вж Фиг.4.13), тогава енергията на фрагментите трябва да бъде 160–200 MeV, т.е. стойност, близка до действителната стойност.
Освобождаване на енергия по време на ядрен делене.Също като в др ядрени реакции, енергията, освободена по време на делене, е еквивалентна на разликата между масите на взаимодействащите частици и крайните продукти. Тъй като енергията на свързване на нуклон в урана и енергията на свързване на един нуклон във фрагменти, по време на деленето на урана трябва да се освободи енергия
Така по време на деленето на ядрото се освобождава огромна енергия, по-голямата част от която се освобождава под формата на кинетична енергия на фрагментите на делене.
Масово разпространение на продукти на делене.Ядрото на урана в повечето случаи е разделено асиметрично. Два ядрени фрагмента имат съответно различни скорости и различни маси.
Фрагментите се делят на две групи според масите си; един близо до криптон, а другият близо до ксенон.Масите на фрагментите са свързани помежду си средно като От законите за запазване на енергията и импулса може да се получи, че кинетичните енергии на фрагментите трябва да бъдат обратно пропорционални на техните маси :
Кривата на добив на продукта на делене е симетрична по отношение на вертикалната права линия, минаваща през точката Значителната ширина на максимумите показва разнообразието на пътищата на делене.
Ориз. 82. Масово разпространение на продукти от делене на уран
Изброените характеристики се отнасят главно до делене под действието на топлинни неутрони; в случай на делене под действието на неутрони с енергия няколко или повече, ядрото се разпада на два фрагмента, по-симетрични по маса.
Свойства на продуктите на делене.По време на деленето на уранов атом много електрони от обвивката се отрязват, а фрагментите на делене са приблизително кратно йонизирани положителни йони, които при преминаване през веществото силно йонизират атомите. Поради това пътищата на отломките във въздуха са малки и близо 2 см.
Лесно е да се установи, че фрагментите, образувани по време на делене, трябва да са радиоактивни, склонни да излъчват неутрони. Наистина, за стабилни ядра съотношението на броя на неутроните и протоните варира в зависимост от A, както следва:
(виж сканиране)
Ядрата, произведени от делене, лежат в средата на масата и следователно съдържат повече неутрони, отколкото е приемливо за тяхната стабилност. Те могат да бъдат освободени от излишните неутрони както чрез разпадане, така и чрез директно излъчване на неутрони.
забавени неутрони.В един от настроикиделенето произвежда радиоактивен бром. На фиг. 83 показва диаграма на разпадането му, в края на която са стабилни изотопи
Интересна особеност на тази верига е, че криптонът може да бъде освободен от излишен неутрон или поради -разпадане, или ако е бил образуван във възбудено състояние поради директното излъчване на неутрон. Тези неутрони се появяват 56 секунди след деленето (времето на живот е свързано с прехода към възбудено състояние, въпреки че самият той излъчва неутрони почти моментално.
Ориз. 83. Схема на разпадане на радиоактивен бром, образуван във възбудено състояние по време на деленето на уран
Те се наричат забавени неутрони. С течение на времето интензитетът на забавените неутрони намалява експоненциално, както при нормално радиоактивно разпадане.
Енергията на тези неутрони е равна на енергията на възбуждане на ядрото. Въпреки че съставляват само 0,75% от всички неутрони, излъчени при делене, забавените неутрони играят важна роля в осъществяването на верижна реакция.
Бързи неутрони.Над 99% от неутроните се освобождават за изключително кратко време; те се наричат незабавни неутрони.
Когато изучаваме процеса на делене, възниква основният въпрос колко неутрона се произвеждат в едно събитие на делене; този въпрос е важен, защото ако техният среден брой е голям, те могат да се използват за разделяне на следващите ядра, т.е. става възможно да се създаде верижна реакция. За разрешаването на този въпрос през 1939-1940 г. работил в почти всички големи ядрени лаборатории в света.