นิวเคลียร์. กำเนิดพลังงานฟิชชันของนิวเคลียสหนัก

>> ฟิชชันของนิวเคลียสของยูเรเนียม

§ 107 ฟิชชันของนิวเคลียสยูเรเนียม

เฉพาะนิวเคลียสของธาตุหนักบางชนิดเท่านั้นที่สามารถแบ่งออกเป็นส่วน ๆ ได้ เมื่อนิวเคลียสฟิชชัน จะปล่อยนิวตรอนและรังสีสองหรือสามตัวออกมา ในขณะเดียวกันก็ปล่อยพลังงานจำนวนมากออกมา

การค้นพบฟิชชันของยูเรเนียมการแยกนิวเคลียสของยูเรเนียมถูกค้นพบในปี 1938 โดยนักวิทยาศาสตร์ชาวเยอรมัน O. Hahn iF สตราสมันน์. พวกเขาพบว่าเมื่อยูเรเนียมถูกถล่มด้วยนิวตรอน องค์ประกอบของส่วนตรงกลางจะปรากฏขึ้น ตารางธาตุ: แบเรียม คริปทอน ฯลฯ อย่างไรก็ตาม การตีความที่ถูกต้องของข้อเท็จจริงนี้ว่าเป็นฟิชชันของนิวเคลียสยูเรเนียมที่จับนิวตรอนได้ให้ไว้เมื่อต้นปี พ.ศ. 2482 โดยนักฟิสิกส์ชาวอังกฤษ O. Frisch ร่วมกับนักฟิสิกส์ชาวออสเตรีย L. Meitner

การจับนิวตรอนรบกวนเสถียรภาพของนิวเคลียส นิวเคลียสเกิดความตื่นเต้นและไม่เสถียร ซึ่งนำไปสู่การแบ่งตัวออกเป็นชิ้น ๆ การแยกตัวของนิวเคลียร์เป็นไปได้เนื่องจากมวลส่วนที่เหลือของนิวเคลียสหนักมากกว่าผลรวมของมวลที่เหลือของชิ้นส่วนที่เกิดจากการฟิชชัน ดังนั้นจึงมีการปล่อยพลังงานเทียบเท่ากับการลดลงของมวลนิ่งที่มาพร้อมกับฟิชชัน

ความเป็นไปได้ของการเกิดฟิชชันของนิวเคลียสหนักสามารถอธิบายได้โดยใช้กราฟของพลังงานยึดเหนี่ยวจำเพาะเทียบกับเลขมวล A (ดูรูปที่ 13.11) พลังงานยึดเหนี่ยวจำเพาะของนิวเคลียสของอะตอมของธาตุที่อยู่ในตารางธาตุ สถานที่สุดท้าย(A 200) น้อยกว่าพลังงานยึดจำเพาะในนิวเคลียสของธาตุที่อยู่ตรงกลางตารางธาตุ (A 100) ประมาณ 1 MeV ดังนั้นกระบวนการฟิชชันของนิวเคลียสหนักเป็นนิวเคลียสของธาตุที่อยู่ตรงกลางของตารางธาตุจึงเป็นประโยชน์อย่างมาก หลังจากฟิชชัน ระบบจะเข้าสู่สถานะที่มีพลังงานภายในน้อยที่สุด ท้ายที่สุดแล้ว ยิ่งพลังงานยึดเหนี่ยวของนิวเคลียสมากเท่าไร พลังงานที่ควรปล่อยออกมาเมื่อนิวเคลียสเกิดขึ้นก็จะยิ่งมากขึ้นเท่านั้น และด้วยเหตุนี้ พลังงานภายในของระบบที่ตั้งขึ้นใหม่ก็จะยิ่งน้อยลงเท่านั้น

ในระหว่างปฏิกิริยาฟิชชันของนิวเคลียร์ พลังงานยึดเหนี่ยวต่อนิวคลีออนจะเพิ่มขึ้น 1 MeV และพลังงานทั้งหมดที่ปล่อยออกมาจะต้องมีปริมาณมหาศาล ตามลำดับที่ 200 MeV ไม่มีปฏิกิริยานิวเคลียร์อื่นใด (ที่ไม่เกี่ยวข้องกับฟิชชัน) ปล่อยพลังงานขนาดใหญ่เช่นนั้นออกมา

การวัดโดยตรงของพลังงานที่ปล่อยออกมาระหว่างฟิชชันของนิวเคลียสยูเรเนียมยืนยันข้อควรพิจารณาข้างต้นและให้ค่า 200 MeV ยิ่งไปกว่านั้น พลังงานส่วนใหญ่ (168 MeV) ยังตกอยู่กับพลังงานจลน์ของชิ้นส่วนอีกด้วย ในรูปที่ 13.13 คุณจะเห็นร่องรอยของชิ้นส่วนยูเรเนียมฟิสไซล์ในห้องเมฆ

พลังงานที่ปล่อยออกมาในระหว่างการแตกตัวของนิวเคลียร์นั้นเป็นพลังงานไฟฟ้าสถิตมากกว่าแหล่งกำเนิดนิวเคลียร์ พลังงานจลน์ขนาดใหญ่ที่ชิ้นส่วนเกิดขึ้นเนื่องจากการผลักคูลอมบ์

กลไกการแยกตัวของนิวเคลียร์กระบวนการฟิชชันของนิวเคลียสของอะตอมสามารถอธิบายได้โดยอาศัยแบบจำลองหยดของนิวเคลียส ตามแบบจำลองนี้ นิวคลีออนจำนวนหนึ่งมีลักษณะคล้ายหยดของเหลวที่มีประจุ (รูปที่ 13.14, a) แรงนิวเคลียร์ระหว่างนิวคลีออนนั้นมีพิสัยสั้น เช่นเดียวกับแรงที่กระทำระหว่างโมเลกุลของเหลว พร้อมด้วย กองกำลังขนาดใหญ่การผลักกันของไฟฟ้าสถิตระหว่างโปรตอน ซึ่งพยายามฉีกนิวเคลียสออกเป็นชิ้นๆ ส่งผลให้เกิดแรงดึงดูดทางนิวเคลียร์มากยิ่งขึ้น แรงเหล่านี้ทำให้นิวเคลียสไม่สลายตัว

นิวเคลียสยูเรเนียม-235 มีรูปร่างเป็นทรงกลม เมื่อดูดซับนิวตรอนส่วนเกินแล้วจะรู้สึกตื่นเต้นและเริ่มเปลี่ยนรูปจนได้รูปร่างที่ยาวขึ้น (รูปที่ 13.14, b) แกนกลางจะยืดออกจนกว่าแรงผลักระหว่างครึ่งหนึ่งของแกนกลางที่ยาวจะเริ่มมีชัยเหนือแรงดึงดูดที่กระทำในคอคอด (รูปที่ 13.14, c) หลังจากนั้นจะแบ่งออกเป็นสองส่วน (รูปที่ 13.14, d)

ภายใต้อิทธิพลของพลังขับไล่คูลอมบ์ ชิ้นส่วนเหล่านี้บินออกไปด้วยความเร็วเท่ากับ 1/30 ของความเร็วแสง

การปล่อยนิวตรอนระหว่างฟิชชันข้อเท็จจริงพื้นฐาน นิวเคลียร์- การปล่อยนิวตรอนสองหรือสามตัวระหว่างฟิชชัน นี่คือสิ่งที่ทำให้มันเป็นไปได้ การใช้งานจริงพลังงานภายในนิวเคลียร์

เป็นไปได้ที่จะเข้าใจว่าทำไมจึงปล่อยนิวตรอนอิสระโดยอาศัยการพิจารณาดังต่อไปนี้ เป็นที่ทราบกันว่าอัตราส่วนของจำนวนนิวตรอนต่อจำนวนโปรตอนในนิวเคลียสที่เสถียรจะเพิ่มขึ้นตามจำนวนอะตอมที่เพิ่มขึ้น ดังนั้นจำนวนนิวตรอนในชิ้นส่วนที่เกิดขึ้นระหว่างฟิชชันจึงมากกว่าที่อนุญาตสำหรับนิวเคลียสของอะตอมที่อยู่ตรงกลางตารางธาตุ เป็นผลให้นิวตรอนหลายตัวถูกปล่อยออกมาในระหว่างกระบวนการฟิชชัน พลังงานของพวกมันมีค่าที่แตกต่างกันตั้งแต่หลายล้านอิเล็กตรอนโวลต์ไปจนถึงค่าที่เล็กมากใกล้กับศูนย์

ฟิชชันมักจะเกิดขึ้นเป็นชิ้นส่วน ซึ่งมีมวลต่างกันประมาณ 1.5 เท่า ชิ้นส่วนเหล่านี้มีกัมมันตรังสีสูงเนื่องจากมีนิวตรอนมากเกินไป ผลจากการสลายตัวต่อเนื่องกัน ทำให้ได้ไอโซโทปเสถียรในที่สุด

โดยสรุป เราสังเกตว่ายังมีการแบ่งตัวของนิวเคลียสยูเรเนียมที่เกิดขึ้นเองด้วย มันถูกค้นพบโดยนักฟิสิกส์โซเวียต G.N. Flerov และ K.A. Petrzhak ในปี 1940 ครึ่งชีวิตของการแยกตัวตามธรรมชาติคือ 10 16 ปี ซึ่งนานกว่าครึ่งชีวิตของยูเรเนียมถึงสองล้านเท่า

ปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิชชันจะมาพร้อมกับการปล่อยพลังงาน

เนื้อหาบทเรียน บันทึกบทเรียนสนับสนุนวิธีการเร่งความเร็วการนำเสนอบทเรียนแบบเฟรมเทคโนโลยีเชิงโต้ตอบ ฝึกฝน งานและแบบฝึกหัด การทดสอบตัวเอง เวิร์คช็อป การฝึกอบรม กรณีศึกษา ภารกิจ การบ้าน การอภิปราย คำถาม คำถามวาทศิลป์จากนักเรียน ภาพประกอบ เสียง คลิปวิดีโอ และมัลติมีเดียภาพถ่าย รูปภาพ กราฟิก ตาราง แผนภาพ อารมณ์ขัน เกร็ดเล็กเกร็ดน้อย เรื่องตลก การ์ตูน อุปมา คำพูด ปริศนาอักษรไขว้ คำพูด ส่วนเสริม บทคัดย่อบทความ เคล็ดลับสำหรับเปล ตำราเรียนขั้นพื้นฐาน และพจนานุกรมคำศัพท์เพิ่มเติมอื่นๆ การปรับปรุงตำราเรียนและบทเรียนแก้ไขข้อผิดพลาดในตำราเรียนการอัปเดตส่วนในตำราเรียน องค์ประกอบของนวัตกรรมในบทเรียน การแทนที่ความรู้ที่ล้าสมัยด้วยความรู้ใหม่ สำหรับครูเท่านั้น บทเรียนที่สมบูรณ์แบบ แผนปฏิทินสำหรับปี หลักเกณฑ์โปรแกรมการอภิปราย บทเรียนบูรณาการ

ในปี พ.ศ. 2477 อี. เฟอร์มี ตัดสินใจรับธาตุทรานยูเรเนียมโดยการฉายรังสี 238 U ด้วยนิวตรอน แนวคิดของ E. Fermi ก็คือผลของการสลายตัวของไอโซโทป 239 U ทำให้องค์ประกอบทางเคมีที่มีเลขอะตอม Z = 93 เกิดขึ้น อย่างไรก็ตาม ไม่สามารถระบุการก่อตัวขององค์ประกอบที่ 93 ได้ แต่จากการวิเคราะห์ทางเคมีกัมมันตภาพรังสีขององค์ประกอบกัมมันตภาพรังสีที่ดำเนินการโดย O. Hahn และ F. Strassmann พบว่าหนึ่งในผลิตภัณฑ์ของการฉายรังสียูเรเนียมด้วยนิวตรอนคือแบเรียม (Z = 56) - องค์ประกอบทางเคมีของน้ำหนักอะตอมเฉลี่ย ในขณะที่ตามสมมติฐานของทฤษฎีเฟอร์มี จะต้องได้รับธาตุทรานยูเรเนียม
แอล. ไมต์เนอร์และโอ. ฟริสช์เสนอว่านิวเคลียสของสารประกอบจับนิวตรอนโดยนิวเคลียสของยูเรเนียมนิวเคลียสจึงยุบตัวเป็นสองส่วน

92 U + n → 56 บา + 36 Kr + xn

กระบวนการฟิชชันของยูเรเนียมจะมาพร้อมกับการปรากฏตัวของนิวตรอนทุติยภูมิ (x > 1) ซึ่งสามารถทำให้เกิดการแตกตัวของนิวเคลียสของยูเรเนียมอื่น ๆ ได้ ซึ่งเปิดโอกาสให้เกิดปฏิกิริยาลูกโซ่ฟิชชันขึ้น - นิวตรอนหนึ่งตัวสามารถก่อให้เกิดกิ่งก้าน สายโซ่ฟิชชันของนิวเคลียสยูเรเนียม ในกรณีนี้ จำนวนนิวเคลียสที่แยกตัวควรเพิ่มขึ้นแบบทวีคูณ เอ็น. บอร์และเจ. วีลเลอร์คำนวณพลังงานวิกฤตที่จำเป็นสำหรับนิวเคลียส 236 U ซึ่งเกิดขึ้นจากการดักจับนิวตรอนด้วยไอโซโทป 235 U เพื่อแยกตัว ค่านี้คือ 6.2 MeV ซึ่งน้อยกว่าพลังงานกระตุ้นของไอโซโทป 236 U ที่เกิดขึ้นระหว่างการจับนิวตรอนความร้อน 235 U ดังนั้น เมื่อจับนิวตรอนความร้อน จะเกิดปฏิกิริยาลูกโซ่ฟิชชันที่ 235 U สำหรับ ไอโซโทปที่พบมากที่สุดคือ 238 U พลังงานวิกฤตคือ 5.9 MeV ในขณะที่เมื่อจับนิวตรอนความร้อน พลังงานกระตุ้นของนิวเคลียส 239 U ที่เกิดขึ้นจะอยู่ที่ 5.2 MeV เท่านั้น ดังนั้นปฏิกิริยาลูกโซ่ของการฟิชชันของไอโซโทปที่พบมากที่สุดในธรรมชาติ 238 U ภายใต้อิทธิพลของนิวตรอนความร้อนจึงเป็นไปไม่ได้ ในเหตุการณ์ฟิชชันครั้งหนึ่ง พลังงานจะถูกปล่อยออกมา data 200 MeV (สำหรับการเปรียบเทียบใน ปฏิกริยาเคมีการเผาไหม้ในเหตุการณ์ปฏิกิริยาหนึ่งจะปล่อยพลังงาน data 10 eV) ความเป็นไปได้ในการสร้างเงื่อนไขสำหรับปฏิกิริยาลูกโซ่ฟิชชันได้เปิดโอกาสให้ใช้พลังงานของปฏิกิริยาลูกโซ่ในการสร้าง เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์และ อาวุธปรมาณู- เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์เครื่องแรกสร้างโดย E. Fermi ในสหรัฐอเมริกาในปี พ.ศ. 2485 ในสหภาพโซเวียต เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์เครื่องแรกเปิดตัวภายใต้การนำของ I. Kurchatov ในปี พ.ศ. 2489 ในปี พ.ศ. 2497 โรงไฟฟ้านิวเคลียร์แห่งแรกของโลกเริ่มดำเนินการใน Obninsk ปัจจุบัน พลังงานไฟฟ้าถูกสร้างขึ้นในเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ประมาณ 440 เครื่องใน 30 ประเทศ
ในปี 1940 G. Flerov และ K. Petrzhak ค้นพบการแยกตัวของยูเรเนียมที่เกิดขึ้นเอง ความซับซ้อนของการทดลองเห็นได้จากตัวเลขต่อไปนี้ ครึ่งชีวิตบางส่วนที่เกี่ยวข้องกับการแบ่งตัวที่เกิดขึ้นเองของไอโซโทป 238 U คือ 10 16 –10 17 ปี ในขณะที่ระยะเวลาการสลายตัวของไอโซโทป 238 U คือ 4.5∙10 9 ปี ช่องทางการสลายตัวหลักของไอโซโทป 238 U คือการสลายตัวของα เพื่อที่จะสังเกตฟิชชันที่เกิดขึ้นเองของไอโซโทป 238 U จำเป็นต้องบันทึกเหตุการณ์ฟิชชันหนึ่งเหตุการณ์กับพื้นหลังของเหตุการณ์การสลายตัวของ α 10 7 –10 8 8
ความน่าจะเป็นของฟิชชันที่เกิดขึ้นเองนั้นถูกกำหนดโดยการซึมผ่านของสิ่งกีดขวางฟิชชันเป็นหลัก ความน่าจะเป็นของฟิชชันที่เกิดขึ้นเองจะเพิ่มขึ้นตามประจุนิวเคลียร์ที่เพิ่มขึ้น เพราะ ในกรณีนี้ พารามิเตอร์การหาร Z 2 /A จะเพิ่มขึ้น ในไอโซโทป Z< 92-95 деление происходит преимущественно с образованием двух осколков деления с отношением масс тяжёлого и лёгкого осколков 3:2. В изотопах Z >100 ฟิชชันแบบสมมาตรมีอิทธิพลเหนือการก่อตัวของชิ้นส่วนที่มีมวลเท่ากัน เมื่อประจุนิวเคลียร์เพิ่มขึ้น สัดส่วนของฟิชชันที่เกิดขึ้นเองเมื่อเปรียบเทียบกับการสลายตัวของ α จะเพิ่มขึ้น

ไอโซโทป	ครึ่งชีวิต	ช่องทางการสลายตัว
235 คุณ	7.04·10 8 ปี	α (100%), เอสเอฟ (7·10 -9%)
238 คุณ	4.47 10 9 ปี	α (100%), เอสเอฟ (5.5·10 -5%)
240 ปู่	6.56·10 3 ปี	α (100%), เอสเอฟ (5.7·10 -6%)
242 ปู่	3.75 10 5 ปี	α (100%), เอสเอฟ (5.5·10 -4%)
246 ซม	4.76·10 3 ปี	α (99.97%), เอสเอฟ (0.03%)
252 ซ	2.64 ปี	α (96.91%), เอสเอฟ (3.09%)
254 อ้างอิง	60.5 ปี	α (0.31%), เอสเอฟ (99.69%)
256 อ้างอิง	12.3 ปี	α (7.04·10 -8%), เอสเอฟ (100%)

นิวเคลียร์. เรื่องราว

2477- E. Fermi ผู้ฉายรังสียูเรเนียมด้วยนิวตรอนความร้อนค้นพบนิวเคลียสของกัมมันตภาพรังสีในกลุ่มผลิตภัณฑ์ปฏิกิริยาซึ่งไม่สามารถระบุลักษณะของสารดังกล่าวได้
L. Szilard หยิบยกแนวคิดเรื่องปฏิกิริยาลูกโซ่นิวเคลียร์

2482− O. Hahn และ F. Strassmann ค้นพบแบเรียมท่ามกลางผลิตภัณฑ์ที่ทำปฏิกิริยา
L. Meitner และ O. Frisch เป็นคนแรกที่ประกาศว่าภายใต้อิทธิพลของนิวตรอน ยูเรเนียมถูกแบ่งออกเป็นสองชิ้นส่วนที่มีมวลใกล้เคียงกัน
เอ็น. บอร์และเจ. วีลเลอร์ให้การตีความเชิงปริมาณของการแยกตัวของนิวเคลียร์โดยการแนะนำพารามิเตอร์ของฟิชชัน
Ya. Frenkel พัฒนาทฤษฎีการตกของนิวเคลียสโดยนิวตรอนช้า
L. Szilard, E. Wigner, E. Fermi, J. Wheeler, F. Joliot-Curie, Y. Zeldovich, Y. Khariton ยืนยันความเป็นไปได้ของปฏิกิริยาลูกโซ่นิวเคลียร์ฟิชชันที่เกิดขึ้นในยูเรเนียม

1940− G. Flerov และ K. Pietrzak ค้นพบปรากฏการณ์การแยกตัวของนิวเคลียสยูเรเนียม U ที่เกิดขึ้นเอง

2485− อี. แฟร์มีดำเนินการปฏิกิริยาลูกโซ่ฟิชชันแบบควบคุมในเครื่องปฏิกรณ์ปรมาณูเครื่องแรก

พ.ศ. 2488- การทดสอบครั้งแรก อาวุธนิวเคลียร์(เนวาดา สหรัฐอเมริกา) ที่เมืองฮิโรชิมาของญี่ปุ่น (6 ส.ค.) และนางาซากิ (9 ส.ค.) กองทหารอเมริกันทิ้งตัวลง ระเบิดปรมาณู.

2489− ภายใต้การนำของ I.V. Kurchatov ซึ่งเป็นเครื่องปฏิกรณ์เครื่องแรกในยุโรปเปิดตัว

1954− มีการเปิดตัวโรงไฟฟ้านิวเคลียร์แห่งแรกของโลก (Obninsk, สหภาพโซเวียต)

นิวเคลียร์.ตั้งแต่ปี 1934 เป็นต้นมา E. Fermi เริ่มใช้นิวตรอนเพื่อระดมยิงอะตอม ตั้งแต่นั้นมา จำนวนนิวเคลียสที่เสถียรหรือมีกัมมันตภาพรังสีที่ได้จากการแปลงสภาพโดยธรรมชาติได้เพิ่มขึ้นเป็นหลายร้อย และเกือบทุกตำแหน่งในตารางธาตุก็เต็มไปด้วยไอโซโทป
อะตอมที่เกิดจากปฏิกิริยานิวเคลียร์ทั้งหมดนี้อยู่ในตำแหน่งเดียวกันในตารางธาตุกับอะตอมที่ถูกทิ้งระเบิดหรือสถานที่ใกล้เคียง ดังนั้น ข้อพิสูจน์ของฮาห์นและสตราสมันน์ในปี 1938 ว่าเมื่อถูกโจมตีด้วยนิวตรอนที่องค์ประกอบสุดท้ายของตารางธาตุจึงทำให้เกิดความรู้สึกที่ยิ่งใหญ่−ยูเรเนียม−การสลายตัวเกิดขึ้นเป็นธาตุที่อยู่ตรงกลางตารางธาตุ พวกเขาแสดงที่นี่ ประเภทต่างๆการสลายตัว อะตอมที่เกิดขึ้นส่วนใหญ่ไม่เสถียรและสลายตัวต่อไปทันที บางตัวมีครึ่งชีวิตวัดเป็นวินาที ดังนั้น Gan จึงต้องใช้ วิธีการวิเคราะห์ Curie เพื่อยืดเวลากระบวนการที่รวดเร็วเช่นนี้ สิ่งสำคัญคือต้องสังเกตว่าองค์ประกอบต้นน้ำของยูเรเนียม โพรแทกติเนียม และทอเรียม ก็แสดงการสลายตัวที่คล้ายกันเมื่อสัมผัสกับนิวตรอน แม้ว่าพลังงานนิวตรอนที่สูงกว่าจำเป็นต่อการสลายตัวที่จะเกิดขึ้นมากกว่าในกรณีของยูเรเนียมก็ตาม นอกจากนี้ในปี 1940 G. N. Flerov และ K. A. Petrzhak ค้นพบการแยกตัวของนิวเคลียสยูเรเนียมที่เกิดขึ้นเองโดยมีค่าครึ่งชีวิตที่ใหญ่ที่สุดที่รู้จักจนถึงปัจจุบัน: ประมาณ 2· 10 15 ปี; ข้อเท็จจริงข้อนี้ชัดเจนเนื่องจากนิวตรอนที่ปล่อยออกมาในระหว่างกระบวนการนี้ สิ่งนี้ทำให้สามารถเข้าใจได้ว่าทำไมระบบคาบ "ธรรมชาติ" จึงลงท้ายด้วยองค์ประกอบที่มีชื่อทั้งสาม ธาตุทรานซูรานิกเป็นที่รู้จักแล้ว แต่พวกมันไม่เสถียรมากจนสลายตัวอย่างรวดเร็ว
การแยกตัวของยูเรเนียมด้วยนิวตรอนทำให้สามารถใช้พลังงานปรมาณูได้ ซึ่งหลายคนจินตนาการว่าเป็น "ความฝันของจูลส์ เวิร์น"

เอ็ม. เลา “ประวัติศาสตร์ฟิสิกส์”

1939 O. Hahn และ F. Strassmann ทำการฉายรังสีเกลือยูเรเนียมด้วยนิวตรอนความร้อน ค้นพบแบเรียม (Z = 56) ในบรรดาผลิตภัณฑ์ที่ทำปฏิกิริยา

ออตโต กันน์ (1879 – 1968)

ฟิชชันนิวเคลียร์คือการแบ่งนิวเคลียสออกเป็นสองนิวเคลียส (น้อยกว่าสาม) นิวเคลียสที่มีมวลใกล้เคียงกัน ซึ่งเรียกว่าชิ้นส่วนฟิชชัน ในระหว่างฟิชชัน อนุภาคอื่น ๆ ก็ปรากฏขึ้นเช่นกัน - นิวตรอน อิเล็กตรอน อนุภาคα จากผลของฟิชชัน พลังงานประมาณ 200 MeV จะถูกปล่อยออกมา ฟิชชันสามารถเกิดขึ้นเองหรือถูกบังคับภายใต้อิทธิพลของอนุภาคอื่น ๆ ซึ่งส่วนใหญ่มักเป็นนิวตรอน
คุณลักษณะเฉพาะฟิชชันคือชิ้นส่วนของฟิชชันตามกฎแล้วมีความแตกต่างกันอย่างมีนัยสำคัญในมวล กล่าวคือ ฟิชชันแบบอสมมาตรมีอิทธิพลเหนือกว่า ดังนั้น ในกรณีของฟิชชันที่เป็นไปได้มากที่สุดของไอโซโทปยูเรเนียม 236 U อัตราส่วนของมวลของชิ้นส่วนคือ 1.46 ชิ้นส่วนที่หนักมีเลขมวล 139 (ซีนอน) และชิ้นส่วนที่เบามีเลขมวล 95 (สตรอนเทียม) เมื่อคำนึงถึงการปล่อยนิวตรอนพร้อมต์สองตัว ปฏิกิริยาฟิชชันที่กำลังพิจารณาจะมีรูปแบบ

รางวัลโนเบลสาขาเคมี
พ.ศ. 2487 (ค.ศ. 1944) – ทุมแกน
สำหรับการค้นพบปฏิกิริยาฟิชชันของนิวเคลียสยูเรเนียมโดยนิวตรอน

เศษฟิชชัน

การพึ่งพามวลเฉลี่ยของกลุ่มชิ้นส่วนที่เบาและหนักต่อมวลของนิวเคลียสฟิสไซล์

การค้นพบการแยกตัวของนิวเคลียร์ 2482

ฉันมาถึงสวีเดน ที่ซึ่งลิซ ไมต์เนอร์ต้องทนทุกข์ทรมานจากความเหงา และฉันก็ตัดสินใจไปเยี่ยมเธอในวันคริสต์มาสเหมือนหลานชายผู้อุทิศตน เธออาศัยอยู่ในโรงแรมเล็กๆ Kungälv ใกล้โกเธนเบิร์ก ฉันพบเธอตอนอาหารเช้า เธอคิดถึงจดหมายที่เธอเพิ่งได้รับจากกาน ฉันสงสัยมากเกี่ยวกับเนื้อหาของจดหมายซึ่งรายงานการก่อตัวของแบเรียมเมื่อยูเรเนียมถูกฉายรังสีด้วยนิวตรอน อย่างไรก็ตาม เธอถูกดึงดูดโดยโอกาสนี้ เราเดินบนหิมะ เธอเดินเท้า ฉันเล่นสกี (เธอบอกว่าเธอสามารถเดินไปได้โดยไม่ล้มข้างหลังฉัน และเธอก็พิสูจน์แล้ว) เมื่อสิ้นสุดการเดินเราก็สามารถสรุปข้อสรุปได้แล้ว แกนกลางไม่แตกออก และชิ้นส่วนต่างๆ ก็ไม่หลุดออกจากมัน แต่นี่เป็นกระบวนการที่ชวนให้นึกถึงแบบจำลองหยดนิวเคลียสของบอร์มากกว่า นิวเคลียสสามารถยืดและแบ่งได้เหมือนหยดหนึ่ง จากนั้นฉันก็ค้นคว้าวิธีการ ค่าไฟฟ้านิวเคลียสจะลดลงตามแรงตึงผิว ซึ่งตามที่ฉันสร้างได้ ก็จะลดลงเหลือศูนย์ที่ Z = 100 และอาจมียูเรเนียมค่อนข้างต่ำ Lise Meitner ทำงานเพื่อหาพลังงานที่ปล่อยออกมาระหว่างการสลายตัวแต่ละครั้งอันเนื่องมาจากข้อบกพร่องของมวล เธอมีความชัดเจนมากเกี่ยวกับเส้นโค้งข้อบกพร่องมวล ปรากฎว่าเนื่องจากการขับไล่ไฟฟ้าสถิต องค์ประกอบฟิชชันจะได้รับพลังงานประมาณ 200 MeV และสิ่งนี้สอดคล้องกับพลังงานที่เกี่ยวข้องกับข้อบกพร่องมวลอย่างแน่นอน ดังนั้น กระบวนการนี้สามารถดำเนินการแบบคลาสสิกล้วนๆ โดยไม่ต้องเกี่ยวข้องกับแนวคิดในการผ่านสิ่งกีดขวางที่อาจเกิดขึ้น ซึ่งแน่นอนว่าจะไม่มีประโยชน์ที่นี่
เราใช้เวลาสองสามวันด้วยกันในช่วงคริสต์มาส จากนั้นฉันก็กลับมาที่โคเปนเฮเกนและแทบไม่มีเวลาแจ้งให้ Bohr ทราบถึงแนวคิดของเราในขณะที่เขากำลังขึ้นเรือที่จะออกเดินทางไปสหรัฐอเมริกา ฉันจำได้ว่าเขาตบหน้าผากทันทีที่ฉันเริ่มพูดและอุทาน:“ โอ้พวกเราช่างโง่เขลาจริงๆ! เราควรสังเกตสิ่งนี้ก่อนหน้านี้” แต่เขาไม่สังเกตและไม่มีใครสังเกตเห็น
Lise Meitner และฉันเขียนบทความ ในเวลาเดียวกัน เราติดต่อกันทางโทรศัพท์ทางไกลจากโคเปนเฮเกนไปยังสตอกโฮล์ม

O. Frisch บันทึกความทรงจำ ยูเอฟเอ็น 2511 ต. 96 ฉบับที่ 4 หน้า 697.

การแยกตัวของนิวเคลียร์ที่เกิดขึ้นเอง

ในการทดลองที่อธิบายไว้ด้านล่าง เราใช้วิธีที่ Frisch เสนอเป็นครั้งแรกในการบันทึกกระบวนการแยกตัวของนิวเคลียร์ ห้องไอออไนซ์ที่มีแผ่นเคลือบด้วยชั้นยูเรเนียมออกไซด์เชื่อมต่อกับเครื่องขยายสัญญาณเชิงเส้นที่กำหนดค่าในลักษณะที่ระบบตรวจไม่พบอนุภาค α ที่ปล่อยออกมาจากยูเรเนียม แรงกระตุ้นจากชิ้นส่วนซึ่งมีขนาดใหญ่กว่าแรงกระตุ้นจากอนุภาค α มาก จะปลดล็อกเอาท์พุตไทราตรอน และถือเป็นรีเลย์เชิงกล
ห้องไอออไนซ์ได้รับการออกแบบเป็นพิเศษในรูปแบบของตัวเก็บประจุแบบแบนหลายชั้นโดยมีพื้นที่รวม 15 แผ่นต่อ 1,000 ตารางเซนติเมตร แผ่นซึ่งอยู่ห่างจากกัน 3 มม. ถูกเคลือบด้วยชั้นของยูเรเนียมออกไซด์ 10 -20 มก./ซม 2 .
ในการทดลองแรกๆ ด้วยแอมพลิฟายเออร์ที่กำหนดค่าสำหรับการนับชิ้นส่วน เป็นไปได้ที่จะสังเกตพัลส์ที่เกิดขึ้นเอง (ในกรณีที่ไม่มีแหล่งกำเนิดนิวตรอน) บนรีเลย์และออสซิลโลสโคป จำนวนของพัลส์เหล่านี้มีน้อย (6 ใน 1 ชั่วโมง) ดังนั้นจึงเป็นที่เข้าใจได้ว่าปรากฏการณ์นี้ไม่สามารถสังเกตได้ด้วยกล้องประเภทปกติ...
เรามักจะคิดอย่างนั้น ผลที่เราสังเกตเห็นน่าจะเป็นผลมาจากชิ้นส่วนที่เกิดจากการแตกตัวของยูเรเนียมที่เกิดขึ้นเอง...

ฟิชชันที่เกิดขึ้นเองควรนำมาประกอบกับหนึ่งในไอโซโทป U ที่ไม่ถูกกระตุ้นพร้อมกับครึ่งชีวิตที่ได้รับจากการประเมินผลลัพธ์ของเรา:

ยู 238 – 10 16 ~ 10 17 ปี,
ยู 235 – 10 14 ~ 10 15 ปี,
ยู 234 – 10 12 ~ 10 13 ปี.

การสลายตัวของไอโซโทป 238 ยู

การแยกตัวของนิวเคลียร์ที่เกิดขึ้นเอง

ครึ่งชีวิตของไอโซโทปฟิสไซล์ที่เกิดขึ้นเอง Z = 92 - 100

ระบบทดลองระบบแรกที่มีโครงตาข่ายยูเรเนียม-กราไฟต์ถูกสร้างขึ้นในปี พ.ศ. 2484 ภายใต้การนำของอี. เฟอร์มี มันเป็นลูกบาศก์กราไฟท์ที่มีขอบยาว 2.5 ม. บรรจุยูเรเนียมออกไซด์ประมาณ 7 ตัน บรรจุในภาชนะเหล็ก ซึ่งวางอยู่ในลูกบาศก์โดยมีระยะห่างเท่ากัน แหล่งกำเนิดนิวตรอน RaBe ถูกวางไว้ที่ด้านล่างของโครงตาข่ายยูเรเนียม-กราไฟท์ ค่าสัมประสิทธิ์การสืบพันธุ์ในระบบดังกล่าวคือ γ 0.7 ยูเรเนียมออกไซด์มีสิ่งเจือปนตั้งแต่ 2 ถึง 5% ความพยายามเพิ่มเติมมุ่งเป้าไปที่การรับวัสดุที่บริสุทธิ์ยิ่งขึ้น และภายในเดือนพฤษภาคม พ.ศ. 2485 ก็ได้รับยูเรเนียมออกไซด์ ซึ่งมีสารเจือปนน้อยกว่า 1% เพื่อให้แน่ใจว่าเกิดปฏิกิริยาลูกโซ่ฟิชชัน จำเป็นต้องใช้กราไฟท์และยูเรเนียมจำนวนมากตามลำดับหลายตัน สิ่งเจือปนจะต้องมีน้อยกว่าสองสามส่วนต่อล้าน เครื่องปฏิกรณ์ซึ่งประกอบขึ้นเมื่อปลายปี พ.ศ. 2485 โดยเฟอร์มีที่มหาวิทยาลัยชิคาโก มีรูปทรงทรงกลมที่ไม่สมบูรณ์ซึ่งถูกตัดออกจากด้านบน ประกอบด้วยยูเรเนียม 40 ตัน และกราไฟท์ 385 ตัน ในตอนเย็นของวันที่ 2 ธันวาคม พ.ศ. 2485 หลังจากถอดแท่งดูดซับนิวตรอนออก ก็พบว่าเกิดปฏิกิริยาลูกโซ่นิวเคลียร์ภายในเครื่องปฏิกรณ์ ค่าสัมประสิทธิ์ที่วัดได้คือ 1.0006 ในตอนแรก เครื่องปฏิกรณ์ทำงานที่ระดับพลังงาน 0.5 วัตต์ ภายในวันที่ 12 ธันวาคม กำลังไฟเพิ่มขึ้นเป็น 200 วัตต์ ต่อจากนั้น เครื่องปฏิกรณ์ถูกย้ายไปยังสถานที่ที่ปลอดภัยกว่า และเพิ่มกำลังเป็นหลายกิโลวัตต์ ในเวลาเดียวกัน เครื่องปฏิกรณ์ใช้ยูเรเนียม-235 0.002 กรัมต่อวัน

เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์เครื่องแรกในสหภาพโซเวียต

อาคารสำหรับเครื่องปฏิกรณ์วิจัยนิวเคลียร์เครื่องแรกในสหภาพโซเวียต F-1 สร้างเสร็จภายในเดือนมิถุนายน พ.ศ. 2489
หลังจากดำเนินการทดลองที่จำเป็นทั้งหมดแล้ว ระบบควบคุมและป้องกันสำหรับเครื่องปฏิกรณ์ได้รับการพัฒนา ขนาดของเครื่องปฏิกรณ์ได้ถูกสร้างขึ้น การทดลองที่จำเป็นทั้งหมดได้ดำเนินการกับแบบจำลองเครื่องปฏิกรณ์ ความหนาแน่นของนิวตรอนถูกกำหนดบน ได้รับบล็อกกราไฟท์หลายรุ่น (ที่เรียกว่าความบริสุทธิ์ของนิวเคลียร์) และ (หลังการตรวจสอบทางกายภาพของนิวตรอน) บล็อกยูเรเนียมในเดือนพฤศจิกายน พ.ศ. 2489 พวกเขาเริ่มสร้างเครื่องปฏิกรณ์ F-1
รัศมีรวมของเครื่องปฏิกรณ์คือ 3.8 ม. ต้องใช้กราไฟท์ 400 ตันและยูเรเนียม 45 ตัน เครื่องปฏิกรณ์ถูกประกอบเป็นชั้น ๆ และเวลา 15.00 น. ของวันที่ 25 ธันวาคม พ.ศ. 2489 ชั้นสุดท้ายที่ 62 ได้ถูกประกอบขึ้น หลังจากถอดแท่งควบคุมฉุกเฉินออก ก้านควบคุมก็ถูกยกขึ้น การนับความหนาแน่นของนิวตรอนเริ่มขึ้น และเวลา 18.00 น. ของวันที่ 25 ธันวาคม พ.ศ. 2489 เครื่องปฏิกรณ์เครื่องแรกในสหภาพโซเวียตก็มีชีวิตขึ้นมาและเริ่มทำงาน นับเป็นชัยชนะที่น่าตื่นเต้นสำหรับนักวิทยาศาสตร์ - ผู้สร้างเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์และทุกสิ่ง คนโซเวียต- และหนึ่งปีครึ่งต่อมา ในวันที่ 10 มิถุนายน พ.ศ. 2491 เครื่องปฏิกรณ์อุตสาหกรรมที่มีน้ำในช่องทางถึงภาวะวิกฤติ และในไม่ช้า การผลิตเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ชนิดใหม่ทางอุตสาหกรรมก็เริ่มขึ้น คือ พลูโทเนียม

กระบวนการนี้ถูกค้นพบและอธิบายอย่างไร มีการเปิดเผยการใช้เป็นแหล่งพลังงานและอาวุธนิวเคลียร์

อะตอม "แบ่งแยกไม่ได้"

ศตวรรษที่ 21 เต็มไปด้วยสำนวนเช่น "พลังงานปรมาณู", "เทคโนโลยีนิวเคลียร์", "กากกัมมันตภาพรังสี" ทุกๆจากนี้และต่อไป หัวข้อข่าวหนังสือพิมพ์ข้อความแวบวับเกี่ยวกับความเป็นไปได้ การปนเปื้อนของสารกัมมันตภาพรังสีดิน มหาสมุทร น้ำแข็งของทวีปแอนตาร์กติกา อย่างไรก็ตาม คนธรรมดามักไม่มีความคิดที่ดีนักว่าสาขาวิทยาศาสตร์นี้คืออะไรและช่วยได้อย่างไร ชีวิตประจำวัน- มันอาจจะคุ้มค่าที่จะเริ่มต้นด้วยประวัติศาสตร์ จากคำถามแรกที่ชายแต่งตัวเรียบร้อยถาม เขาสนใจว่าโลกดำเนินไปอย่างไร ตามองเห็นอย่างไร หูได้ยินอย่างไร น้ำต่างจากหินอย่างไร นี่คือสิ่งที่ปราชญ์กังวลมาแต่โบราณกาล อินอีกด้วย อินเดียโบราณและกรีซ จิตใจที่อยากรู้อยากเห็นบางคนแนะนำว่ามีอนุภาคเพียงเล็กน้อย (เรียกอีกอย่างว่า "แบ่งแยกไม่ได้") ที่มีคุณสมบัติเป็นวัสดุ นักเคมีในยุคกลางยืนยันการเดาของปราชญ์และ คำจำกัดความที่ทันสมัยอะตอมมีดังต่อไปนี้: อะตอมเป็นอนุภาคที่เล็กที่สุดของสารซึ่งเป็นผู้ถือคุณสมบัติของมัน

ส่วนของอะตอม

อย่างไรก็ตาม การพัฒนาเทคโนโลยี (โดยเฉพาะการถ่ายภาพ) ได้นำไปสู่ความจริงที่ว่าอะตอมไม่ถือว่าเป็นอนุภาคที่เล็กที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ของสสารอีกต่อไป แม้ว่าอะตอมเดี่ยวจะเป็นกลางทางไฟฟ้า แต่นักวิทยาศาสตร์ก็ตระหนักได้อย่างรวดเร็วว่าอะตอมประกอบด้วยสองส่วนซึ่งมีประจุต่างกัน จำนวนชิ้นส่วนที่มีประจุบวกจะชดเชยจำนวนชิ้นส่วนที่เป็นลบ ดังนั้นอะตอมจึงยังคงเป็นกลาง แต่ไม่มีแบบจำลองอะตอมที่ชัดเจน เนื่องจากฟิสิกส์คลาสสิกยังคงมีความโดดเด่นในขณะนั้น จึงมีสมมติฐานต่างๆ เกิดขึ้น

แบบจำลองอะตอม

เบื้องต้นได้เสนอโมเดล “ซาลาเปาลูกเกด” ประจุบวกดูเหมือนจะเต็มพื้นที่ทั้งหมดของอะตอม และประจุลบก็กระจายอยู่ในนั้น เหมือนลูกเกดในขนมปัง ผู้มีชื่อเสียงได้กำหนดสิ่งต่อไปนี้: ในใจกลางของอะตอมมีองค์ประกอบที่หนักมากซึ่งมีประจุบวก (นิวเคลียส) และมีอิเล็กตรอนที่เบากว่ามากอยู่รอบ ๆ มวลของนิวเคลียสหนักกว่าผลรวมของอิเล็กตรอนทั้งหมดหลายร้อยเท่า (คิดเป็น 99.9 เปอร์เซ็นต์ของมวลอะตอมทั้งหมด) ดังนั้นแบบจำลองอะตอมของดาวเคราะห์ของบอร์จึงถือกำเนิดขึ้น อย่างไรก็ตาม องค์ประกอบบางอย่างขัดแย้งกับฟิสิกส์คลาสสิกที่ยอมรับในขณะนั้น จึงมีการพัฒนาอันใหม่ขึ้นมา กลศาสตร์ควอนตัม- เมื่อมาถึง ยุคที่ไม่ใช่คลาสสิกของวิทยาศาสตร์ก็เริ่มต้นขึ้น

อะตอมและกัมมันตภาพรังสี

จากทั้งหมดที่กล่าวมาข้างต้น เห็นได้ชัดว่านิวเคลียสคือส่วนที่หนักและมีประจุบวกของอะตอม ซึ่งประกอบกันเป็นมวลของมัน เมื่อตำแหน่งของอิเล็กตรอนในวงโคจรของอะตอมได้รับการศึกษาอย่างดี ก็ถึงเวลาที่จะเข้าใจธรรมชาติของนิวเคลียสของอะตอม กัมมันตภาพรังสีที่ชาญฉลาดและค้นพบโดยไม่คาดคิดได้เข้ามาช่วยเหลือ ช่วยเปิดเผยแก่นแท้ของส่วนกลางที่หนักหน่วงของอะตอม เนื่องจากแหล่งกำเนิดของกัมมันตภาพรังสีคือการแตกตัวของนิวเคลียร์ เมื่อถึงช่วงเปลี่ยนศตวรรษที่ 19 และ 20 การค้นพบต่างๆ เกิดขึ้นครั้งแล้วครั้งเล่า วิธีแก้ปัญหาทางทฤษฎีงานหนึ่งจำเป็นต้องมีการทดลองใหม่ ผลการทดลองทำให้เกิดทฤษฎีและสมมติฐานที่ต้องได้รับการยืนยันหรือหักล้าง บ่อยครั้ง การค้นพบที่ยิ่งใหญ่ที่สุดปรากฏเพียงเพราะเป็นเช่นนี้ที่ทำให้สูตรสะดวกสำหรับการคำนวณ (เช่น เช่น ควอนตัมมักซ์พลังค์) แม้แต่ในช่วงเริ่มต้นของยุคของการถ่ายภาพ นักวิทยาศาสตร์ก็รู้ดีว่าเกลือยูเรเนียมให้แสงสว่างแก่ฟิล์มที่ไวต่อแสง แต่พวกเขาไม่สงสัยว่าการแยกตัวของนิวเคลียร์จะเป็นพื้นฐานของปรากฏการณ์นี้ ดังนั้นจึงมีการศึกษากัมมันตภาพรังสีเพื่อทำความเข้าใจธรรมชาติของการสลายตัวของนิวเคลียร์ เห็นได้ชัดว่ารังสีเกิดจากการเปลี่ยนผ่านของควอนตัม แต่ก็ไม่ชัดเจนว่ารังสีชนิดใดที่แน่ชัด Curies ขุดแร่เรเดียมและพอโลเนียมบริสุทธิ์ โดยแปรรูปแร่ยูเรเนียมเกือบด้วยมือเพื่อตอบคำถามนี้

ประจุกัมมันตภาพรังสี

รัทเทอร์ฟอร์ดได้ศึกษาโครงสร้างของอะตอมเป็นอย่างมาก และมีส่วนช่วยในการศึกษาว่าการแยกตัวของนิวเคลียสของอะตอมเกิดขึ้นได้อย่างไร นักวิทยาศาสตร์วางรังสีที่ปล่อยออกมาจากธาตุกัมมันตภาพรังสีไว้ในสนามแม่เหล็กและได้ผลลัพธ์ที่น่าอัศจรรย์ ปรากฎว่ารังสีประกอบด้วยสามองค์ประกอบ องค์ประกอบหนึ่งเป็นกลาง และอีกสององค์ประกอบมีประจุบวกและลบ การศึกษาการแยกตัวของนิวเคลียร์เริ่มต้นด้วยการระบุส่วนประกอบต่างๆ ได้รับการพิสูจน์แล้วว่านิวเคลียสสามารถแบ่งตัวและปล่อยประจุบวกบางส่วนออกไปได้

โครงสร้างหลัก

ต่อมาปรากฎว่านิวเคลียสของอะตอมไม่เพียงประกอบด้วยอนุภาคโปรตอนที่มีประจุบวกเท่านั้น แต่ยังรวมถึงอนุภาคนิวตรอนที่เป็นกลางด้วย พวกมันรวมกันเรียกว่านิวคลีออน (จากภาษาอังกฤษ "นิวเคลียส", นิวเคลียส) อย่างไรก็ตาม นักวิทยาศาสตร์พบปัญหาอีกครั้ง: มวลของนิวเคลียส (นั่นคือจำนวนนิวคลีออน) ไม่สอดคล้องกับประจุของมันเสมอไป ในไฮโดรเจน นิวเคลียสจะมีประจุ +1 และมวลอาจเป็นสาม สอง หรือหนึ่งก็ได้ คนต่อไปที่อยู่ข้างหลังเขา ตารางธาตุฮีเลียมมีประจุนิวเคลียร์ +2 ในขณะที่นิวเคลียสประกอบด้วย 4 ถึง 6 นิวคลีออน ธาตุที่ซับซ้อนกว่าอาจมีมวลต่างกันมากในประจุเดียวกัน การแปรผันของอะตอมเหล่านี้เรียกว่าไอโซโทป นอกจากนี้ ไอโซโทปบางชนิดยังค่อนข้างเสถียร ในขณะที่บางไอโซโทปสลายตัวอย่างรวดเร็วเนื่องจากมีลักษณะเฉพาะจากการแยกตัวของนิวเคลียร์ จำนวนนิวเคลียสสอดคล้องกับหลักการใดที่สอดคล้องกับเสถียรภาพของนิวเคลียส? เหตุใดการเพิ่มนิวตรอนเพียงหนึ่งนิวตรอนเข้าไปในนิวเคลียสที่หนักและเสถียรอย่างสมบูรณ์จึงนำไปสู่การแยกตัวและปล่อยกัมมันตภาพรังสีออกมา น่าแปลกที่คำตอบนี้ คำถามสำคัญยังไม่พบ จากการทดลองพบว่าการกำหนดค่าที่เสถียรของนิวเคลียสของอะตอมนั้นสอดคล้องกับจำนวนโปรตอนและนิวตรอนที่แน่นอน หากมีนิวตรอนและ/หรือโปรตอน 2, 4, 8, 50 ตัวในนิวเคลียส นิวเคลียสก็จะเสถียรอย่างแน่นอน ตัวเลขเหล่านี้เรียกอีกอย่างว่าเวทมนตร์ (และนี่คือสิ่งที่นักวิทยาศาสตร์ผู้ใหญ่และนักฟิสิกส์นิวเคลียร์เรียกพวกมัน) ดังนั้นการแบ่งตัวของนิวเคลียสจึงขึ้นอยู่กับมวลของพวกมัน ซึ่งก็คือจำนวนนิวคลีออนที่รวมอยู่ในพวกมัน

วางเปลือกคริสตัล

กำหนดปัจจัยที่รับผิดชอบต่อเสถียรภาพของนิวเคลียสบน ช่วงเวลานี้ล้มเหลว. มีหลายทฤษฎีของแบบจำลอง ทั้งสามทฤษฎีที่มีชื่อเสียงและพัฒนามากที่สุดมักขัดแย้งกันในประเด็นต่างๆ ตามข้อแรกแกนกลางคือหยดของเหลวนิวเคลียร์ชนิดพิเศษ เช่นเดียวกับน้ำ มีลักษณะการไหล แรงตึงผิว การรวมตัวกันและการแตกตัว ในแบบจำลองเปลือก ยังมีระดับพลังงานบางอย่างในนิวเคลียสที่เต็มไปด้วยนิวคลีออน ข้อที่สามอ้างว่านิวเคลียสเป็นตัวกลางที่สามารถหักเหคลื่นพิเศษได้ (คลื่น De Broglie) และดัชนีการหักเหของแสงนั้น อย่างไรก็ตาม ยังไม่มีแบบจำลองใดที่สามารถอธิบายได้อย่างสมบูรณ์ว่าเหตุใดที่มวลวิกฤตขององค์ประกอบทางเคมีเฉพาะนี้ การแยกตัวของนิวเคลียสก็เริ่มต้นขึ้น

ความเสื่อมเกิดขึ้นได้อย่างไร?

กัมมันตภาพรังสีตามที่กล่าวไว้ข้างต้นถูกค้นพบในสารที่สามารถพบได้ในธรรมชาติ: ยูเรเนียม, พอโลเนียม, เรเดียม ตัวอย่างเช่น ยูเรเนียมบริสุทธิ์ที่เพิ่งขุดขึ้นมาใหม่มีกัมมันตภาพรังสี กระบวนการแตกแยกใน ในกรณีนี้จะเกิดขึ้นเอง หากไม่ได้รับอิทธิพลจากภายนอก อะตอมของยูเรเนียมจำนวนหนึ่งจะปล่อยอนุภาคอัลฟ่าออกมา และเปลี่ยนเป็นทอเรียมได้เองตามธรรมชาติ มีตัวบ่งชี้ที่เรียกว่าครึ่งชีวิต โดยจะแสดงในช่วงเวลาที่ประมาณครึ่งหนึ่งของจำนวนชิ้นส่วนเริ่มต้นจะยังคงอยู่ ธาตุกัมมันตภาพรังสีแต่ละชนิดมีครึ่งชีวิตของตัวเอง ตั้งแต่เสี้ยววินาทีสำหรับแคลลิฟอร์เนียม ไปจนถึงยูเรเนียมและซีเซียมนับแสนปี แต่ก็มีกัมมันตภาพรังสีเกิดขึ้นด้วย หากนิวเคลียสของอะตอมถูกถล่มด้วยโปรตอนหรืออนุภาคอัลฟา (นิวเคลียสฮีเลียม) ด้วยพลังงานจลน์สูง พวกมันก็สามารถ “แยกตัว” ได้ แน่นอนว่ากลไกของการเปลี่ยนแปลงนั้นแตกต่างจากการที่แจกันใบโปรดของคุณแม่คุณแตก อย่างไรก็ตามสามารถติดตามการเปรียบเทียบบางอย่างได้

พลังงานปรมาณู

จนถึงขณะนี้ เรายังไม่ได้ตอบคำถามเชิงปฏิบัติ: พลังงานมาจากไหนในระหว่างการแตกตัวของนิวเคลียร์? ขั้นแรกจำเป็นต้องชี้แจงว่าในระหว่างการก่อตัวของนิวเคลียสกองกำลังนิวเคลียร์พิเศษจะทำหน้าที่ซึ่งเรียกว่าปฏิสัมพันธ์ที่รุนแรง เนื่องจากนิวเคลียสประกอบด้วยโปรตอนบวกจำนวนมาก คำถามยังคงอยู่ว่าพวกมันเกาะติดกันได้อย่างไร เนื่องจากแรงไฟฟ้าสถิตจะต้องผลักพวกมันออกจากกันค่อนข้างแรง คำตอบนั้นทั้งง่ายและไม่ใช่: นิวเคลียสถูกยึดไว้ด้วยกันเนื่องจากการแลกเปลี่ยนอนุภาคพิเศษอย่างรวดเร็วระหว่างนิวคลีออน - ไพ-มีซอน การเชื่อมต่อนี้มีอายุสั้นอย่างไม่น่าเชื่อ ทันทีที่การแลกเปลี่ยนไพมีซอนหยุดลง นิวเคลียสก็จะสลายตัว เป็นที่ทราบกันดีอยู่แล้วว่ามวลของนิวเคลียสนั้นน้อยกว่าผลรวมของนิวคลีออนที่เป็นส่วนประกอบทั้งหมด ปรากฏการณ์นี้เรียกว่าข้อบกพร่องมวล ที่จริงแล้ว มวลที่หายไปคือพลังงานที่ใช้ไปเพื่อรักษาความสมบูรณ์ของแกนกลาง ทันทีที่บางส่วนถูกแยกออกจากนิวเคลียสของอะตอม พลังงานนี้จะถูกปล่อยออกมาและแปลงเป็นความร้อนในโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ นั่นคือพลังงานของการแยกตัวของนิวเคลียร์เป็นการแสดงให้เห็นอย่างชัดเจน สูตรดังไอน์สไตน์. ขอให้เราจำไว้ว่าสูตรบอกว่าพลังงานและมวลสามารถแปลงเป็นพลังงานซึ่งกันและกันได้ (E=mc 2)

ทฤษฎีและการปฏิบัติ

ตอนนี้เราจะบอกคุณว่าการค้นพบทางทฤษฎีล้วนๆ นี้นำไปใช้ในชีวิตจริงเพื่อผลิตไฟฟ้ากิกะวัตต์ได้อย่างไร ประการแรก ควรสังเกตว่าปฏิกิริยาควบคุมใช้การแยกตัวของนิวเคลียร์แบบบังคับ ส่วนใหญ่มักเป็นยูเรเนียมหรือพอโลเนียมซึ่งถูกโจมตีด้วยนิวตรอนเร็ว ประการที่สอง เราไม่สามารถเข้าใจได้ว่าฟิชชันนิวเคลียร์มาพร้อมกับการสร้างนิวตรอนใหม่ ส่งผลให้จำนวนนิวตรอนในเขตปฏิกิริยาสามารถเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว นิวตรอนแต่ละตัวชนกับนิวเคลียสใหม่ที่ยังคงสภาพสมบูรณ์ โดยแยกนิวเคลียสออกจากกัน ส่งผลให้มีการปลดปล่อยความร้อนเพิ่มขึ้น นี่คือปฏิกิริยาลูกโซ่ของการแยกตัวของนิวเคลียร์ การเพิ่มจำนวนนิวตรอนในเครื่องปฏิกรณ์ที่ไม่สามารถควบคุมได้อาจทำให้เกิดการระเบิดได้ นี่คือสิ่งที่เกิดขึ้นในปี 1986 โรงไฟฟ้านิวเคลียร์เชอร์โนบิล- ดังนั้นจึงมีสารอยู่ในโซนปฏิกิริยาที่ดูดซับนิวตรอนส่วนเกินอยู่เสมอเพื่อป้องกันภัยพิบัติ นี่คือกราไฟท์ในรูปแบบของแท่งยาว อัตราการแยกตัวของนิวเคลียร์สามารถชะลอลงได้โดยการจุ่มแท่งลงในโซนปฏิกิริยา สมการนี้รวบรวมมาโดยเฉพาะสำหรับสารกัมมันตภาพรังสีแต่ละชนิดและอนุภาคที่โจมตีสารนั้น (อิเล็กตรอน โปรตอน อนุภาคอัลฟา) อย่างไรก็ตาม พลังงานที่ได้ขั้นสุดท้ายจะคำนวณตามกฎหมายอนุรักษ์: E1+E2=E3+E4 นั่นคือพลังงานทั้งหมดของนิวเคลียสและอนุภาคดั้งเดิม (E1 + E2) จะต้องเท่ากับพลังงานของนิวเคลียสที่เกิดและพลังงานที่ปล่อยออกมาในรูปแบบอิสระ (E3 + E4) สมการของปฏิกิริยานิวเคลียร์ยังแสดงให้เห็นว่าสารใดที่ผลิตขึ้นจากการสลายตัว ตัวอย่างเช่น สำหรับยูเรเนียม U=Th+He, U=Pb+Ne, U=Hg+Mg ไม่ได้ระบุไอโซโทปขององค์ประกอบทางเคมีไว้ที่นี่ แต่นี่เป็นสิ่งสำคัญ ตัวอย่างเช่น มีความเป็นไปได้มากถึงสามประการที่จะเกิดฟิชชันของยูเรเนียม ไอโซโทปต่างๆตะกั่วและนีออน ในกรณีเกือบร้อยเปอร์เซ็นต์ นิวเคลียร์ฟิชชันจะผลิตไอโซโทปกัมมันตภาพรังสี นั่นคือการสลายตัวของยูเรเนียมทำให้เกิดทอเรียมกัมมันตภาพรังสี ทอเรียมสามารถสลายเป็นโปรแทกติเนียม, แอกติเนียม, และอื่นๆ ทั้งบิสมัทและไทเทเนียมสามารถมีกัมมันตภาพรังสีได้ในซีรีย์นี้ แม้แต่ไฮโดรเจนซึ่งมีโปรตอนสองตัวในนิวเคลียส (บรรทัดฐานคือโปรตอนหนึ่งตัว) ก็ถูกเรียกต่างกัน - ดิวทีเรียม น้ำที่เกิดจากไฮโดรเจนดังกล่าวเรียกว่าน้ำหนักและเต็มวงจรปฐมภูมิในเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์

อะตอมที่ไม่สงบ

สำนวนเช่น "การแข่งขันทางอาวุธ", " สงครามเย็น, "ภัยคุกคามนิวเคลียร์" สู่คนยุคใหม่อาจดูเหมือนเป็นประวัติศาสตร์และไม่เกี่ยวข้อง แต่กาลครั้งหนึ่งทุกข่าวที่เผยแพร่เกือบทั่วโลกมาพร้อมกับรายงานเกี่ยวกับจำนวนอาวุธนิวเคลียร์ที่ถูกประดิษฐ์ขึ้นและวิธีจัดการกับอาวุธเหล่านั้น ผู้คนสร้างบังเกอร์ใต้ดินและกักตุนเสบียงไว้ในกรณีเกิดนิวเคลียร์ฤดูหนาว ทั้งครอบครัวทำงานเพื่อสร้างที่พักพิง แม้แต่การใช้ปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิชชันอย่างสันติก็สามารถนำไปสู่หายนะได้ ดูเหมือนว่าเชอร์โนบิลจะสอนมนุษยชาติให้ระมัดระวังในพื้นที่นี้ แต่องค์ประกอบของดาวเคราะห์กลับแข็งแกร่งขึ้น: แผ่นดินไหวในญี่ปุ่นทำลายป้อมปราการที่เชื่อถือได้ของโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ฟุกุชิมะ พลังงานของปฏิกิริยานิวเคลียร์นั้นนำไปใช้ในการทำลายได้ง่ายกว่ามาก นักเทคโนโลยีจำเป็นต้องจำกัดแรงระเบิดเท่านั้นเพื่อไม่ให้ทำลายโลกทั้งใบโดยไม่ได้ตั้งใจ ระเบิดที่ “มีมนุษยธรรม” ที่สุด หากคุณสามารถเรียกพวกมันได้ ก็อย่าสร้างมลพิษให้กับบริเวณโดยรอบด้วยรังสี โดยทั่วไปมักใช้ปฏิกิริยาลูกโซ่ที่ไม่สามารถควบคุมได้ สิ่งที่พวกเขาพยายามหลีกเลี่ยงไม่ว่าจะด้วยวิธีใดก็ตามในโรงไฟฟ้านิวเคลียร์นั้น เกิดขึ้นได้ด้วยการวางระเบิดด้วยวิธีดั้งเดิมมาก สำหรับธาตุกัมมันตภาพรังสีตามธรรมชาติใดๆ จะมีมวลวิกฤตของสารบริสุทธิ์ซึ่งปฏิกิริยาลูกโซ่เริ่มต้นขึ้นเองตามธรรมชาติ เช่น ยูเรเนียมมีน้ำหนักเพียงห้าสิบกิโลกรัม เนื่องจากยูเรเนียมมีน้ำหนักมาก จึงเป็นเพียงลูกบอลโลหะขนาดเล็กที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 12-15 เซนติเมตร ระเบิดปรมาณูลูกแรกที่ถูกทิ้งที่ฮิโรชิมาและนางาซากินั้นถูกสร้างขึ้นตามหลักการนี้: ยูเรเนียมบริสุทธิ์สองส่วนที่ไม่เท่ากันรวมกันและทำให้เกิดการระเบิดที่น่าสะพรึงกลัว อาวุธสมัยใหม่อาจจะซับซ้อนกว่า อย่างไรก็ตามเราไม่ควรลืมเกี่ยวกับมวลวิกฤต: ระหว่างการเก็บสารกัมมันตภาพรังสีบริสุทธิ์ในปริมาณเล็กน้อยจะต้องมีสิ่งกีดขวางที่ไม่อนุญาตให้ชิ้นส่วนเชื่อมต่อกัน

แหล่งกำเนิดรังสี

ธาตุทั้งหมดที่มีประจุนิวเคลียร์อะตอมมากกว่า 82 ถือเป็นกัมมันตภาพรังสี เกือบทุกอย่างเบาลง องค์ประกอบทางเคมีมี ไอโซโทปกัมมันตภาพรังสี- นิวเคลียสที่หนักกว่า อายุขัยก็จะสั้นลง องค์ประกอบบางอย่าง (เช่น แคลลิฟอร์เนียม) สามารถหาได้จากการประดิษฐ์เท่านั้น โดยชนอะตอมหนักกับอนุภาคที่เบากว่า ซึ่งส่วนใหญ่มักจะอยู่ในเครื่องเร่งปฏิกิริยา เนื่องจากพวกมันไม่มั่นคงมาก เปลือกโลกพวกเขาไม่ได้อยู่ที่นั่น: ในระหว่างการก่อตัวของดาวเคราะห์ พวกมันสลายตัวไปเป็นองค์ประกอบอื่นอย่างรวดเร็ว สารที่มีนิวเคลียสเบากว่า เช่น ยูเรเนียม สามารถขุดได้ กระบวนการนี้ใช้เวลานาน แม้แต่แร่ที่อุดมสมบูรณ์มากก็มียูเรเนียมน้อยกว่าหนึ่งเปอร์เซ็นต์ที่เหมาะสำหรับการขุด เส้นทางที่สามอาจบ่งชี้ว่ายุคทางธรณีวิทยาใหม่ได้เริ่มต้นขึ้นแล้ว นี่คือการสกัดองค์ประกอบกัมมันตภาพรังสีจากกากกัมมันตภาพรังสี หลังจากที่เชื้อเพลิงได้รับการประมวลผลที่โรงไฟฟ้า บนเรือดำน้ำ หรือบนเรือบรรทุกเครื่องบิน จะได้ส่วนผสมของยูเรเนียมตั้งต้นและสารสุดท้ายซึ่งเป็นผลมาจากฟิชชัน ขณะนี้ถือเป็นกากกัมมันตภาพรังสีที่เป็นของแข็ง และคำถามสำคัญคือ จะฝังอย่างไร เพื่อไม่ให้เกิดการปนเปื้อน สิ่งแวดล้อม- อย่างไรก็ตาม มีความเป็นไปได้ที่ในอนาคตอันใกล้นี้ สารกัมมันตภาพรังสีเข้มข้นสำเร็จรูป (เช่น พอโลเนียม) จะถูกสกัดออกจากของเสียนี้

เป็นที่ทราบกันดีว่าพลังงานฟิชชันของนิวเคลียสหนักซึ่งใช้เพื่อวัตถุประสงค์ในทางปฏิบัติคือพลังงานจลน์ของชิ้นส่วนของนิวเคลียสดั้งเดิม แต่ต้นกำเนิดของพลังงานนี้คืออะไรเช่น พลังงานใดที่ถูกแปลงเป็นพลังงานจลน์ของชิ้นส่วน?

ความคิดเห็นอย่างเป็นทางการเกี่ยวกับปัญหานี้ไม่สอดคล้องกันอย่างยิ่ง ดังนั้น มูคินจึงเขียนว่าพลังงานขนาดใหญ่ที่ปล่อยออกมาในระหว่างการแตกตัวของนิวเคลียสหนักนั้นเกิดจากความบกพร่องของมวลของนิวเคลียสเริ่มต้นและชิ้นส่วนที่แตกต่างกัน และตามตรรกะนี้ เขาได้ค่าประมาณของผลผลิตพลังงานในระหว่าง ฟิชชันของนิวเคลียสยูเรเนียม: “200 MeV. แต่เขายังเขียนอีกว่าพลังงานของการผลักคูลอมบ์ของพวกมันจะถูกแปลงเป็นพลังงานจลน์ของชิ้นส่วน ซึ่งเมื่อชิ้นส่วนอยู่ใกล้กัน จะมีค่า "200 MeV" เท่าเดิม แน่นอนว่าความใกล้เคียงของการประมาณค่าทั้งสองนี้กับค่าการทดลองนั้นน่าประทับใจ แต่คำถามที่เกี่ยวข้องก็คือ ความแตกต่างในข้อบกพร่องมวลหรือพลังงานของการขับไล่คูลอมบ์ที่กลายเป็นพลังงานจลน์ของชิ้นส่วนหรือไม่ คุณจะเป็นผู้ตัดสินใจว่าคุณกำลังบอกเราเกี่ยวกับอะไร – เกี่ยวกับเอลเดอร์เบอร์รี่ ที่หรือเกี่ยวกับผู้ชายในเคียฟ!

นักทฤษฎีเองก็สร้างภาวะที่กลืนไม่เข้าคายไม่ออกนี้: ตามตรรกะของพวกเขา พวกเขาต้องการทั้งความแตกต่างในด้านข้อบกพร่องของมวลและการขับไล่คูลอมบ์ ยอมแพ้อย่างใดอย่างหนึ่ง และความไร้ค่าของสถานที่เริ่มต้นแบบดั้งเดิมในฟิสิกส์นิวเคลียร์จะกลายเป็นที่ชัดเจนอย่างสมบูรณ์ ตัวอย่างเช่น ทำไมพวกเขาถึงพูดถึงความแตกต่างในข้อบกพร่องจำนวนมาก? จากนั้นเพื่อที่จะอธิบายความเป็นไปได้ของปรากฏการณ์ฟิชชันของนิวเคลียสหนัก พวกเขากำลังพยายามโน้มน้าวเราว่าฟิชชันของนิวเคลียสหนักเกิดขึ้นเพราะมันเป็นพลังงานที่ดี ปาฏิหาริย์แบบไหน? เมื่อเกิดฟิชชันของนิวเคลียสหนัก พันธะนิวเคลียร์บางส่วนจะถูกทำลาย และพลังงานของพันธะนิวเคลียร์จะคำนวณในหน่วย MeV! นิวเคลียสในนิวเคลียสนั้นมีลำดับความสำคัญที่แข็งแกร่งกว่าอิเล็กตรอนของอะตอม และประสบการณ์สอนเราว่าระบบมีความเสถียรแม่นยำในด้านความได้เปรียบด้านพลังงาน และหากระบบเอื้ออำนวยต่อการสลายตัว ระบบก็จะสลายตัวทันที แต่แร่ยูเรเนียมก็มีอยู่ในธรรมชาติ! “ประโยชน์ด้านพลังงาน” ของฟิชชันของนิวเคลียสยูเรเนียมประเภทใดที่เราสามารถพูดถึงได้

เพื่อไม่ให้ความไร้สาระของข้อสันนิษฐานเกี่ยวกับความได้เปรียบของฟิชชันของนิวเคลียสหนักนั้นไม่โดดเด่นนักนักทฤษฎีจึงเริ่มดำเนินการในการซ้อมรบปลาเฮอริ่งแดง: พวกเขาพูดถึง "ข้อได้เปรียบ" นี้ในแง่ของพลังงานการจับยึดโดยเฉลี่ยที่เป็นของ ต่อนิวคลีออน- อันที่จริงเมื่อเลขอะตอมเพิ่มขึ้น ขนาดของข้อบกพร่องมวลในนิวเคลียสก็เพิ่มขึ้นเช่นกัน แต่จำนวนนิวคลีออนในนิวเคลียสจะเพิ่มขึ้นเร็วขึ้น - เนื่องจากมีนิวตรอนมากเกินไป ดังนั้น สำหรับนิวเคลียสหนัก พลังงานยึดเหนี่ยวรวมซึ่งคำนวณต่อนิวคลีออน จะลดลงตามเลขอะตอมที่เพิ่มขึ้น ดูเหมือนว่าการแบ่งปันนิวเคลียสหนักจะเป็นประโยชน์จริงหรือ? อนิจจา ตรรกะนี้มีพื้นฐานมาจากแนวคิดดั้งเดิมที่เกี่ยวข้องกับความสัมพันธ์ทางนิวเคลียร์ ทั้งหมดนิวเคลียสในนิวเคลียส ภายใต้สมมติฐานนี้ พลังงานยึดเหนี่ยวเฉลี่ยต่อนิวคลีออน อี 1 คือผลหารของพลังงานยึดเหนี่ยวของนิวเคลียส D อีตามจำนวนนิวคลีออน:

อี 1 =ง อี/ก, ดี อี=(ซ.มพี +( ก-ฮ)ม)ค 2 -(มที่ - ซีเอ็ม อี)ค 2 , (4.13.1)

ที่ไหน ซี- เลขอะตอม เช่น จำนวนโปรตอน ก- จำนวนนิวเคลียส มพี มและ ฉัน– มวลของโปรตอน นิวตรอน และอิเล็กตรอน ตามลำดับ มที่ คือมวลของอะตอม อย่างไรก็ตาม เราได้แสดงให้เห็นความไม่เพียงพอของแนวคิดดั้งเดิมเกี่ยวกับนิวเคลียสข้างต้นแล้ว ( 4.11 - และถ้าตามตรรกะของแบบจำลองที่เสนอ ( 4.12 ) เมื่อคำนวณพลังงานยึดเหนี่ยวต่อนิวคลีออน ไม่ต้องคำนึงถึงนิวคลีออนในนิวเคลียสที่พันธะนิวเคลียร์ไม่ได้ปกคลุมไว้ชั่วคราว แล้วเราจะได้สูตรที่แตกต่างจาก (4.13.1) ถ้าเราสมมุติว่าจำนวนนิวคลีออนที่ถูกผูกไว้ในปัจจุบันคือ 2 ซี (4.12 ) และแต่ละรายการเชื่อมต่อกันเพียงครึ่งเดียวของระยะเวลาการเชื่อมต่อ ( 4.12 ) จากนั้นเราจะได้สูตรสำหรับพลังงานยึดเหนี่ยวเฉลี่ยต่อนิวคลีออน

อี 1 * =ง อี/ซี , (4.13.2)

ซึ่งต่างจาก (4.13.1) ในตัวส่วนเท่านั้น คุณสมบัติที่ราบรื่น อี 1 (ซี) และ อี 1 * (ซี) ให้ไว้ รูปที่.4.13- ต่างจากกำหนดการปกติ อี 1 (ซี) วางไว้ในตำราเรียนหลายเล่มแผนภูมิ อี 1 * (ซี) มีลักษณะที่โดดเด่น: แสดงให้เห็นสำหรับนิวเคลียสที่หนัก ความเป็นอิสระพลังงานยึดเหนี่ยวต่อนิวคลีออนกับจำนวนนิวคลีออน ซึ่งหมายความว่าจากแบบจำลองของเรา ( 4.12 ) ตามมาว่าไม่สามารถพูดถึง "ประโยชน์ด้านพลังงาน" ใด ๆ จากการแยกตัวของนิวเคลียสหนักได้ - ตามสามัญสำนึก กล่าวคือ พลังงานจลน์ของชิ้นส่วนไม่สามารถระบุได้จากความแตกต่างในข้อบกพร่องด้านมวลของนิวเคลียสดั้งเดิมและชิ้นส่วน

รูปที่.4.13

ตามสามัญสำนึกเดียวกัน พลังงานของการขับไล่คูลอมบ์ไม่สามารถแปลงเป็นพลังงานจลน์ของชิ้นส่วนได้: เรานำเสนอทั้งข้อโต้แย้งทางทฤษฎี ( 4.7 , 4.12 ) และหลักฐานการทดลอง ( 4.12 ) ว่าไม่มีการผลักคูลอมบ์สำหรับอนุภาคที่ประกอบเป็นนิวเคลียส

แล้วพลังงานจลน์ของชิ้นส่วนของนิวเคลียสหนักมีต้นกำเนิดมาจากอะไร? อันดับแรก เราจะพยายามตอบคำถาม: เหตุใดในปฏิกิริยาลูกโซ่นิวเคลียร์ ฟิชชันของนิวเคลียร์จึงมีสาเหตุอย่างมีประสิทธิภาพจากนิวตรอนที่ปล่อยออกมาในระหว่างการฟิชชันครั้งก่อน - ยิ่งไปกว่านั้น นิวตรอนความร้อน เช่น มีพลังงานเพียงเล็กน้อยในระดับนิวเคลียร์ ด้วยความจริงที่ว่านิวตรอนความร้อนมีความสามารถในการแยกนิวเคลียสหนักออกจากกัน จึงดูเหมือนจะยากที่จะตกลงข้อสรุปของเราว่านิวตรอน "ส่วนเกิน" ในปัจจุบันในนิวเคลียสหนักนั้นเป็นอิสระ ( 4.12 - นิวเคลียสหนักนั้นเต็มไปด้วยนิวตรอนความร้อน แต่ในขณะเดียวกัน มันก็ไม่สลายตัวเลย แม้ว่าฟิชชันที่เกิดขึ้นทันทีจะทำให้นิวตรอนความร้อนเพียงตัวเดียวที่ปล่อยออกมาระหว่างฟิชชันครั้งก่อนเพื่อเข้าไปข้างใน

มีเหตุผลที่จะสรุปได้ว่านิวตรอนความร้อนอิสระชั่วคราวในนิวเคลียสหนักและนิวตรอนความร้อนที่ปล่อยออกมาระหว่างฟิชชันของนิวเคลียสหนักยังคงแตกต่างกัน เนื่องจากทั้งสองไม่มีการหยุดชะงักของนิวเคลียร์ ระดับความเป็นอิสระที่สามารถแตกต่างกันได้นั้นจะต้องถูกครอบครองโดยกระบวนการที่ช่วยให้มั่นใจได้ถึงการสื่อสารภายในในนิวตรอน - ผ่านการแปลงแบบวนของคู่ที่รวมอยู่ในองค์ประกอบ ( 4.10 - และ ระดับเดียวอิสรภาพที่เราเห็นตรงนี้คือโอกาส อ่อนแอลงความเชื่อมโยงภายในนี้ “บนความเจริญของมวลชน” ( 4.10 ) เนื่องจากความถี่ของการเปลี่ยนแปลงแบบวัฏจักรในนิวตรอนลดลง - โดยมีการปล่อย g-quanta ที่สอดคล้องกัน การนำนิวตรอนเข้าสู่สถานะอ่อนแอเช่นในระหว่างการสลายตัวของนิวเคลียสหนักเมื่อเกิดการเปลี่ยนแปลงพลังงานอย่างรุนแรงจากรูปแบบหนึ่งไปอีกรูปแบบหนึ่ง - ดูเหมือนจะไม่ผิดปกติสำหรับเรา เห็นได้ชัดว่าสถานะนิวตรอนอ่อนลงนั้นเกิดจากการทำงานที่ผิดปกติของโปรแกรมที่สร้างนิวตรอนในโลกทางกายภาพ - และในขณะเดียวกันก็ง่ายกว่าที่นิวตรอนจะสลายตัวเป็นโปรตอนและอิเล็กตรอน ปรากฏว่าอายุการใช้งานเฉลี่ย 17 นาทีที่วัดได้สำหรับนิวตรอนที่ปล่อยออกมาจากเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์นั้นเป็นเรื่องปกติของนิวตรอนที่ถูกทำให้อ่อนฤทธิ์ ในความคิดของเรา นิวตรอนที่ไม่มีการลดทอนสามารถมีชีวิตอยู่ได้ตราบใดที่อัลกอริธึมที่เชื่อมต่อยังทำงานอยู่ ( 4.10 ) กล่าวคือ โดยไม่มีกำหนด

นิวตรอนที่อ่อนแรงจะสลายนิวเคลียสหนักได้อย่างไร เมื่อเปรียบเทียบกับนิวตรอนที่ไม่มีการลดทอนแล้ว นิวตรอนที่อ่อนตัวลงจะมีระยะเวลาการหยุดชะงักของการเต้นเป็นจังหวะของนิวคลีออนเพิ่มขึ้น หากนิวตรอนดังกล่าวเข้าสู่นิวเคลียสมีการหยุดชะงักของนิวเคลียร์ "เปิด" เพื่อที่จะเชื่อมต่อกับโปรตอนบางส่วนจากนั้นการซิงโครไนซ์ที่อธิบายไว้ข้างต้นของการเปลี่ยนพันธะในทริปเปิ้ล n 0 -พี + -n 0 (4.12 ) จะเป็นไปไม่ได้ เป็นผลให้การซิงโครไนซ์ของพันธะใน a-complex ที่เกี่ยวข้องจะถูกรบกวน ซึ่งจะทำให้เกิดความล้มเหลวของการสลับพันธะที่ปรับรูปร่าง a-complex ให้เหมาะสมที่สุดและรับรองโครงสร้างไดนามิกของนิวเคลียส ( 4.12 - การพูดเป็นรูปเป็นร่างรอยแตกจะผ่านแกนกลางซึ่งไม่ได้เกิดจากการทำลายพันธะนิวเคลียร์อย่างรุนแรง แต่เกิดจากการละเมิดการซิงโครไนซ์ของการเปลี่ยน โปรดทราบว่าจุดสำคัญสำหรับสถานการณ์ที่อธิบายไว้คือการ "เปิดสวิตช์" ของพันธะนิวเคลียร์ในนิวตรอนอ่อนกำลัง - และเพื่อให้ "เปิดสวิตช์" นี้เกิดขึ้น นิวตรอนจะต้องมีพลังงานจลน์ต่ำเพียงพอ นี่คือวิธีที่เราอธิบายว่าทำไมนิวตรอนที่มีพลังงานจลน์หลายร้อย keV กระตุ้นนิวเคลียสที่หนักเท่านั้น ในขณะที่นิวตรอนความร้อนที่มีพลังงานเพียงไม่กี่ในร้อยของ eV สามารถทำลายนิวเคลียสได้อย่างมีประสิทธิภาพ

เราเห็นอะไร? เมื่อนิวเคลียสแบ่งออกเป็นสองส่วน การเชื่อมต่อนิวเคลียสเหล่านั้นจะอยู่ในโหมดปกติของการสับเปลี่ยน ( 4.12 ) เชื่อมโยงชิ้นส่วนทั้งสองนี้เข้ากับนิวเคลียสดั้งเดิม สถานการณ์ที่ผิดปกติเกิดขึ้นเมื่อพลังงานภายในของนิวคลีออนบางตัวลดลงตามปริมาณพลังงานของพันธะนิวเคลียร์ แต่พันธะเหล่านี้กลับไม่มีอยู่อีกต่อไป ซึ่งถือว่าผิดปกติตามตรรกะของหลักการของการเปลี่ยนแปลงพลังงานอัตโนมัติ ( 4.4 ) สถานการณ์ได้รับการแก้ไขทันทีดังนี้: พลังงานของนิวคลีออนยังคงอยู่เหมือนเดิม และพลังงานเดิมของพันธะที่สลายตัวจะถูกแปลงเป็นพลังงานจลน์ของนิวคลีออน - และสุดท้ายกลายเป็นพลังงานจลน์ของชิ้นส่วน ดังนั้น พลังงานฟิชชันของนิวเคลียสหนักไม่ได้ถูกกำหนดโดยความแตกต่างในข้อบกพร่องของมวลระหว่างนิวเคลียสเริ่มต้นกับชิ้นส่วน หรือโดยพลังงานของการผลักคูลอมบ์ของชิ้นส่วน พลังงานจลน์ของชิ้นส่วนคือพลังงานเดิมของพันธะนิวเคลียร์ที่ยึดชิ้นส่วนเหล่านี้ไว้ในนิวเคลียสดั้งเดิม ข้อสรุปนี้ได้รับการสนับสนุนจากการโจมตีและ ข้อเท็จจริงที่ไม่ค่อยมีใครรู้ความคงที่ของพลังงานจลน์ของชิ้นส่วน - โดยไม่คำนึงถึงแรงกระแทกที่ทำให้เกิดการแยกตัวของนิวเคลียร์ ดังนั้นเมื่อฟิชชันของนิวเคลียสยูเรเนียมเริ่มต้นโดยโปรตอนที่มีพลังงาน 450 MeV พลังงานจลน์ของชิ้นส่วนจะเท่ากับ 163 ± 8 MeV เช่น ปริมาณเท่ากับเมื่อฟิชชันเกิดขึ้นจากนิวตรอนความร้อน โดยมีพลังงานหนึ่งในร้อยของ eV!

จากแบบจำลองที่นำเสนอ เราจะประมาณการพลังงานฟิชชันของนิวเคลียสยูเรเนียมโดยประมาณตามตัวเลือกที่น่าจะเป็นไปได้มากที่สุด คือ 92 U 235 ® 36 Kr 94 + 56 Ba 139 ซึ่งชิ้นส่วนประกอบด้วย 18 และ 28 a-complexes . ถ้าเราสมมุติว่าเอคอมเพล็กซ์ 18 และ 28 เหล่านี้เชื่อมโยงกันในนิวเคลียสดั้งเดิมโดยใช้พันธะสลับได้ 8-10 อัน พลังงานเฉลี่ยตัวละ 20 MeV (ดู รูปที่.4.13) ดังนั้นพลังงานของชิ้นส่วนควรอยู่ที่ 160-200 MeV เช่น มีค่าใกล้เคียงกับค่าจริง

การปล่อยพลังงานระหว่างการแยกตัวของนิวเคลียร์เช่นเดียวกับในคนอื่นๆ ปฏิกิริยานิวเคลียร์พลังงานที่ปล่อยออกมาระหว่างฟิชชันจะเท่ากับความแตกต่างในมวลของอนุภาคที่มีปฏิกิริยาโต้ตอบกับผลผลิตขั้นสุดท้าย เนื่องจากพลังงานยึดเหนี่ยวของนิวคลีออนในยูเรเนียมและพลังงานยึดเหนี่ยวของนิวคลีออนหนึ่งตัวเป็นชิ้นส่วนระหว่างฟิชชันของยูเรเนียม พลังงานจึงต้องถูกปล่อยออกมา

ดังนั้นในระหว่างการแตกตัวของนิวเคลียร์ พลังงานจำนวนมหาศาลจะถูกปล่อยออกมา โดยส่วนใหญ่จะถูกปล่อยออกมาในรูปของพลังงานจลน์ของชิ้นส่วนจากฟิชชัน

การกระจายผลิตภัณฑ์ฟิชชันโดยมวลในกรณีส่วนใหญ่นิวเคลียสของยูเรเนียมจะแบ่งตัวแบบไม่สมมาตร ชิ้นส่วนนิวเคลียร์ทั้งสองมีความเร็วและมวลต่างกันตามลำดับ

เศษแบ่งออกเป็นสองกลุ่มตามมวล ชิ้นหนึ่งอยู่ใกล้คริปทอนและอีกชิ้นอยู่ใกล้ซีนอน มวลของชิ้นส่วนมีความสัมพันธ์กันโดยเฉลี่ย จากกฎการอนุรักษ์พลังงานและโมเมนตัม จะได้ว่าพลังงานจลน์ของชิ้นส่วนควรจะแปรผกผันกับมวลของพวกมัน:

เส้นผลผลิตฟิชชันมีความสมมาตรสัมพันธ์กับเส้นตรงแนวตั้งที่ผ่านจุดนั้น ความกว้างที่มีนัยสำคัญของค่าสูงสุดบ่งบอกถึงความหลากหลายของเส้นทางฟิชชัน

ข้าว. 82. การกระจายผลิตภัณฑ์ฟิชชันของยูเรเนียมโดยมวล

คุณลักษณะที่ระบุไว้ส่วนใหญ่เกี่ยวข้องกับฟิชชันภายใต้อิทธิพลของนิวตรอนความร้อน ในกรณีของฟิชชันภายใต้อิทธิพลของนิวตรอนที่มีพลังงานตั้งแต่หลายตัวขึ้นไป นิวเคลียสจะสลายตัวออกเป็นชิ้นส่วนที่มีมวลสมมาตรอีกสองชิ้น

คุณสมบัติของผลิตภัณฑ์ฟิชชันในระหว่างฟิชชันของอะตอมยูเรเนียม อิเล็กตรอนจำนวนมากในเปลือกจะถูกดึงออก และชิ้นส่วนฟิชชันจะถูกไอออนบวกที่แตกตัวเป็นไอออนคูณประมาณ ซึ่งเมื่อผ่านสาร จะทำให้เกิดไอออนของอะตอมอย่างรุนแรง ดังนั้นระยะของเศษในอากาศจึงน้อยและใกล้ถึง 2 ซม.

เป็นเรื่องง่ายที่จะพิสูจน์ว่าชิ้นส่วนที่เกิดขึ้นระหว่างฟิชชันจะต้องมีกัมมันตรังสีและมีแนวโน้มที่จะปล่อยนิวตรอนออกมา แท้จริงแล้ว สำหรับนิวเคลียสที่เสถียร อัตราส่วนของจำนวนนิวตรอนและโปรตอนจะแตกต่างกันไปขึ้นอยู่กับ A ดังต่อไปนี้:

(ดูการสแกน)

นิวเคลียสที่เกิดจากฟิชชันวางอยู่ตรงกลางโต๊ะ ดังนั้นจึงมีนิวตรอนมากกว่าความเสถียรที่ยอมรับได้ พวกมันสามารถหลุดพ้นจากนิวตรอนส่วนเกินได้ทั้งจากการสลายตัวและการปล่อยนิวตรอนโดยตรง

นิวตรอนล่าช้าในหนึ่งใน ตัวเลือกที่เป็นไปได้ฟิชชันผลิตโบรมีนกัมมันตภาพรังสี ในรูป รูปที่ 83 แสดงแผนภาพการสลายตัว ซึ่งในตอนท้ายมีไอโซโทปเสถียร

คุณลักษณะที่น่าสนใจของสายโซ่นี้คือคริปทอนสามารถถูกปลดปล่อยจากนิวตรอนส่วนเกินได้ไม่ว่าจะเกิดจากการสลายตัว หรือถ้ามันก่อตัวขึ้นในสภาวะตื่นเต้นเนื่องจากการปล่อยนิวตรอนโดยตรง นิวตรอนเหล่านี้ปรากฏขึ้นหลังจากฟิชชัน 56 วินาที (อายุการใช้งานสัมพันธ์กับการเปลี่ยนไปอยู่ในสถานะตื่นเต้น แม้ว่าตัวมันเองจะปล่อยนิวตรอนออกมาเกือบจะในทันทีก็ตาม

ข้าว. 83. โครงการการสลายตัวของโบรมีนกัมมันตภาพรังสีที่เกิดขึ้นในสภาวะตื่นเต้นระหว่างฟิชชันของยูเรเนียม

พวกมันเรียกว่านิวตรอนหน่วงเวลา เมื่อเวลาผ่านไป ความเข้มของนิวตรอนที่ล่าช้าจะสลายตัวแบบทวีคูณ เช่นเดียวกับการสลายกัมมันตภาพรังสีตามปกติ

พลังงานของนิวตรอนเหล่านี้เท่ากับพลังงานกระตุ้นของนิวเคลียส แม้ว่าพวกมันจะคิดเป็นเพียง 0.75% ของนิวตรอนทั้งหมดที่ปล่อยออกมาระหว่างฟิชชัน แต่นิวตรอนที่ล่าช้าก็มีบทบาทสำคัญในปฏิกิริยาลูกโซ่

พรอมต์นิวตรอนนิวตรอนมากกว่า 99% ถูกปล่อยออกมาภายในระยะเวลาอันสั้นมาก พวกมันเรียกว่านิวตรอนพรอมต์

เมื่อศึกษากระบวนการฟิชชัน คำถามพื้นฐานเกิดขึ้น: มีนิวตรอนจำนวนเท่าใดที่เกิดขึ้นในเหตุการณ์ฟิชชันครั้งเดียว คำถามนี้มีความสำคัญเพราะหากจำนวนพวกมันโดยเฉลี่ยมาก พวกมันสามารถใช้เพื่อแยกนิวเคลียสที่ตามมาได้ กล่าวคือ มีความเป็นไปได้ที่จะสร้างปฏิกิริยาลูกโซ่เกิดขึ้น เพื่อแก้ไขปัญหานี้ในปี พ.ศ. 2482-2483 ทำงานในห้องปฏิบัติการนิวเคลียร์ที่ใหญ่ที่สุดในโลกเกือบทั้งหมด