©hoo$e ЛÄнgიAge©///₾ÄngიAge® Ekohomei©Å TÅLKiNg ი.ბ.м.ლ.
7. Деление атомных ядер
Делением атомных ядер называют их распад на 2–3 осколка сравнимой массы. Деление
может быть самопроизвольным (спонтанным) или вынужденным (вызванным
взаимодействием с налетающей частицей). Деление энергетически выгодно для
тяжёлых ядер и является основным источником ядерной энергии.
где a1 = 15.75 МэВ; a2 = 17.8 МэВ; a3 = 0.71 МэВ; a4 = 23.6 МэВ;
можно оценить энергию, которая освобождается в одном акте деления. Если ядро с
массовым числом A = 220
делится на два равных осколка с A2 = 110,
удельная энергия связи осколков по сравнению с удельной энергией связи
начального ядра увеличивается на
Δε ≈ 0.8 МэВ ( от ε1 ≈ 7.6 МэВ
для ядра с А = 220 до ε2 ≈ 8.4 МэВ
для ядра с А2 = 110).
При этом должна выделяться энергия Е = А(e2 − e1) ≈ 220(8.4 − 7.6) МэВ ≈ 180 МэВ.
Используя соотношения (7.1) и (7.2) и пренебрегая последним членом a5A-3/4 вследствие его малости, получаем величину энергии, выделяющейся при симметричном делении ядра A = 240, Z = 90.
При делении изменяется поверхностная энергия Eп = a2A2/3 и кулоновская энергия Eк = a3Z2/A1/3, при этом поверхностная энергия увеличивается, а кулоновская энергия уменьшается. Деление возможно только в том случае, когда E > 0, т.е. когда
откуда
следует, что Z2/A > 17.
|
Деление ядер. История
1934 г. − Э. Ферми, облучая уран тепловыми нейтронами, обнаружил
среди продуктов реакции радиоактивные ядра, природу которых
установить не удалось.
1939 г. − О. Ган и
Ф. Штрассман обнаружили среди продуктов реакций
барий. 1940 г. − Г. Флеров и К. Петржак открыли явление спонтанного деления ядер 235U. 1942 г. − Э. Ферми осуществил управляемую цепную реакцию деления в первом атомного реакторе. 1945 г. − Первое испытание ядерного оружия (штат Невада, США). На японские города Хиросима (6 августа) и Нагасаки (9 августа) американскими войсками были сброшены атомные бомбы. 1946 г. − Под руководством И.В. Курчатова был пущен первый в Европе реактор. 1954 г. − Запущена первая в мире атомная электростанция (г. Обнинск, СССР). |
Энергия E, высвобождающаяся при делении, растет с увеличением Z2/A. Величина Z2/A = 17 для 89Y (иттрия). Т.е. деление энергетически выгодно для всех ядер тяжелее иттрия. Почему же большинство ядер устойчиво по отношению к самопроизвольному делению? Чтобы ответить на этот вопрос, необходимо рассмотреть механизм деления.
В процессе деления происходит изменение формы ядра.
Ядро последовательно проходит через следующие стадии (рис. 7.1): шар, эллипсоид,
гантель, два грушевидных осколка, два сферических осколка. Как при этом
изменяется потенциальная энергия ядра на различных стадиях деления?
а их сумма, определяющая изменение потенциальной энергии ядра, равна
В соотношениях (7.4–7.5) Eп
и Eк
– поверхностная и кулоновская энергии исходного сферически симметричного ядра.
Наличие потенциального барьера препятствует мгновенному
самопроизвольному делению ядер. Для того чтобы ядро разделилось, ему необходимо
сообщить энергию Q, превышающую
высоту барьера деления H.
Максимум потенциальной энергии делящегося ядра E + H (например золота) на два одинаковых осколка ≈ 173 МэВ,
а величина энергии E,
освобождающейся при делении, равна 132 МэВ.
Таким образом, при делении ядра золота необходимо преодолеть потенциальный
барьер высотой около 40 МэВ.
Поэтому более тяжелым ядрам, как правило, нужно сообщить меньшую
энергию, чтобы вызвать деление ядра. 2Eп/Eк = 2(a2A)/(a3Z2), откуда Z2/A = 2a2/(a3Z2) ≈ 49. Таким образом, согласно капельной модели в природе не могут существовать ядра с Z2/A > 49, так как они должны практически мгновенно за характерное ядерное время порядка 10–22 с самопроизвольно разделиться на два осколка. Зависимости формы и высоты потенциального барьера H, а также энергии деления от величины параметра Z2/A показаны на рис. 7.3.
Рис. 7.3. Радиальная зависимость формы и высоты потенциального барьера и энергии деления E при различных величинах параметра Z2/A. На вертикальной оси отложена величина Eп + Eк.
Самопроизвольное деление ядер с
Z2/A < 49,
для которых высота барьера H
не равна нулю, с точки зрения классической физики невозможно. Однако в квантовой
механике такое деление возможно за счет туннельного эффекта – прохождения
осколков деления через потенциальный барьер. Оно носит название спонтанного
деления. Вероятность спонтанного деления растет с увеличением параметра деления
Z2/A,
т. е. с уменьшением высоты барьера деления. В целом период спонтанного деления
уменьшается при переходе от менее тяжелых ядер к более тяжелым от
T1/2 > 1021 лет
для
232Th
до 0,3 с для
260Rf. Таблица 7.1 Высота барьера деления H, энергия связи нейтрона εn
Характерной особенностью деления является то, что осколки, как
правило, имеют различные массы. В случае наиболее вероятного деления
235U
отношение масс осколков в среднем равно ~ 1.5. Распределение по массам осколков
деления 235U
тепловыми нейтронами показано на рис. 7.4. Для наиболее вероятного деления
тяжелый осколок имеет массовое число 139, легкий – 95. Среди продуктов деления
имеются осколки с A = 72 – 161
и Z = 30 – 65.
Вероятность деления на два равных по массе осколка не равна нулю. При делении
235U
тепловыми нейтронами вероятность симметричного деления примерно на три порядка
меньше, чем в случае наиболее вероятного деления на осколки с A = 139
и 95.
Возбуждение осколков, вызванное нарушением
соотношения числа протонов и нейтронов, характерного для стабильных ядер,
снимается также за счет вылета мгновенных нейтронов деления. Эти нейтроны
испускаются движущимися осколками за время, меньшее, чем ~ 10-14 с.
В среднем в каждом акте деления испускается 2 − 3 мгновенных нейтрона. Их
энергетический спектр непрерывный с максимумом около 1 МэВ. Средняя энергия
мгновенного нейтрона близка к 2 МэВ. Испускание более чем одного нейтрона, в
каждом акте деления делает возможным получение энергии за счет цепной ядерной
реакции деления. Таблица 7.2 Распределение энергии деления 235U тепловыми нейтронами
Продукты ядерного деления (ПЯД) представляют собой сложную смесь более чем 200 радиоактивных изотопов 36 элементов (от цинка до гадолиния). Большую часть активности составляют короткоживущие радионуклиды. Так, через 7, через 49 и через 343 суток после взрыва активность ПЯД снижается соответственно в 10, 100 и 1000 раз по сравнению с активностью через час после взрыва. Выход наиболее биологически значимых радионуклидов приведен в таблице 7.3. Кроме ПЯД радиоактивное загрязнение обусловлено радионуклидами наведенной активности (3H, 14C, 28Al, 24Nа, 56Mn, 59Fe , 60Cо и др.) и неразделившейся частью урана и плутония. Особенно велика роль наведенной активности при термоядерных взрывах. Таблица 7.3 Выход некоторых продуктов деления при ядерном взрыве
При ядерных взрывах в атмосфере значительная часть осадков (при
наземных взрывах до 50%) выпадает вблизи района испытаний. Часть радиоактивных
веществ задерживается в нижней части атмосферы и под действием ветра
перемещается на большие расстояния, оставаясь примерно на одной и той же широте.
Находясь в воздухе примерно месяц, радиоактивные вещества во время этого
перемещения постепенно выпадают на Землю. Большая часть радионуклидов
выбрасывается в стратосферу (на высоту 10÷15 км), где происходит их глобальное
рассеивание и в значительной степени распад. Таблица 7.4 Значения удельной активности (Бк/т урана) основных продуктов деления в тепловыделяющих элементах, извлеченных из реактора после трехлетней эксплуатации
|
Открытие деления ядер. 1939 г.
Я приехал в Швецию, где Лизе Мейтнер страдала от
одиночества, и я, как преданный племянник, решил навестить ее на
рождество. Она жила в маленьком отеле Кунгэльв около Гетеборга. Я
застал ее за завтраком. Она обдумывала письмо, только что полученное
ею от Гана. Я был весьма скептически настроен относительно
содержания письма, в котором сообщалось об образовании бария при
облучении урана нейтронами. Однако ее привлекла такая возможность.
Мы гуляли по снегу, она пешком, я на лыжах (она сказала, что может
проделать этот путь, не отстав от меня, и доказала это). К концу
прогулки мы уже могли сформулировать некоторые выводы; ядро не
раскалывалось, и от него не отлетали куски, а это был процесс,
скорее напоминавший капельную модель ядра Бора; подобно капле ядро
могло удлиняться и делиться. Затем я исследовал, каким образом
электрический заряд нуклонов уменьшает поверхностное натяжение,
которое, как мне удалось установить, падает до нуля при О. Фриш, Дж. Уиллер. УФН. 1968. Т. 96, вып.4, с. 697. |
Спонтанное деление ядер
В описанных ниже опытах мы использовали метод, впервые
предложенный Фришем для регистрации процессов деления ядер.
Ионизационная камера с пластинами, покрытыми слоем окиси урана,
соединяется с линейным усилителем, настроенным таким образом, что
α-частицы, вылетающие из урана, не регистрируются системой; импульсы
же от осколков, намного превышающие по величине импульсы от
α-частиц, отпирают выходной тиратрон и считаются механическим реле. Мы склонны думать, что наблюдаемый нами эффект следует приписать осколкам, получающимся в результате спонтанного деления урана… Спонтанное деление следует приписать одному из невозбужденных изотопов U с периодами полураспада, полученными из оценки наших результатов: U238 – 1016 ~ 1017 лет, U235 – 1014 ~ 1015 лет, U234 – 1012 ~ 1013 лет.
К.А. Петржак, Г.Н. Флеров.
УФН. 1941. Т. 25, вып. 2. с. 241. |