Надо Знать

добавить знаний



Деление ядра



План:


Введение

Схематическое изображение деления ядра 235 U при поглощении нейтрона

Деление ядра - ядерная реакция, при которой ядро тяжелого элемента распадается на меньшие ядра, часто выделяя при этом гамма-кванты и свободные нейтроны.

Деление ядра - экзотермическая реакция. Выделенное при делении тепло намного превышает характерные энергии химических реакций. Поэтому деление используется в ядерной энергетике, а также в военном деле для создания атомных бомб.

Разделение следует отличать от реакций радиоактивного распада, при которых выделяются гамма-кванты, альфа- и бета-частицы, а масса ядра и его атомный номер изменяются незначительно, или совсем не меняются. При разделении первичное ядро ​​распадается на крупные куски и как следствие возникают относительно тяжелые ядра с середины периодической таблицы.


1. Причина распада ядер

Ядер, обладают способностью распадаться, немного. Самые известные из них - 235 U и 239 Pu. Это - тяжелые ядра с большим количеством протонов. Положительно заряженные протоны видштовшуються друг от друга по законом Кулона, и на характерных расстояниях для ядра порядка 1 фемтометра это отталкивание очень сильное. Однако протоны удерживаются в составе ядра благодаря сильном взаимодействии между собой и нейтронами. Однако сильное взаимодействие имеет свойство насыщения: один нуклон не может одновременно взаимодействовать со всеми другими, а кулоновское отталкивание такого ограничения не имеет. Как результат, стабильность ядра падает вместе с ростом числа протонов в нем. Средняя энергия связи между нуклонами уменьшается по сравнению с ядрами атомов с середины периодической таблицы Менделеева. Это явление носит название дефекта массы.

Таким образом, создается ситуация, когда та же число нуклонов должна в совокупности меньшую энергию, если бы они были сгруппированы в два ядра со средним массой, а не в одно тяжелое. Иначе говоря, состояние тяжелого ядра является возбужденным квантовым состоянием. Возбужденные состояния не могут существовать долго, и рано или поздно происходит ядерная реакция, когда ядро ​​переходит в стабильное. Есть несколько каналов таких реакции: бета-распад, альфа-распад и деление. Лишь в немногих ядер деление имеет наибольшую вероятность.


2. Протекания реакции

Kernspaltung.gif
Распределение продуктов деления 235 U по массе

Спонтанный, есть самопроизвольный, ничем не обусловлен деление ядра - маловероятное событие. Время жизни 235 U составляет 700 тыс. лет. 239 Pu имеет время жизни всего 24 тыс. лет, но для него вероятным каналом распада является альфа-распад. Гораздо чаще разделение происходит во время столкновения с каким-то другим частицей, например, нейтроном.

При поглощении нейтрона ядро ​​начинает сильно деформироваться, вытягиваться, истончаться по центру, образуя тонкую шейку посередине двумя шарами на концах ("гантель"), а затем две пули, которые становятся ядрами легких элементов, разлетаются с огромной скоростью в разные стороны. Часто при этом в разные стороны летят и другие осколки и куски: альфа-частицы, нейтроны, гамма-кванты.

Продукты деления заранее определить невозможно. С большей или меньшей вероятностью образуются различные атомы с середины периодической таблицы. Многие из них радиоактивными. Со временем радиоактивные продукты реакции распадаются, довольно часто проходит ряд распадов, прежде чем образуется стабильное ядро. При примерно равном разделении образуются два ядра с массами около 115 а.е.м.. Благоприятное неровный подол, при котором одно из ядер имеет массу около 90 а.е.м., а остальное - около 140 а.о.м. Диаграмма распределения продуктов распада по массе показана на рисунке справа.

При распаде ядра урана на два ядра выделяется энергия ~ 200 МэВ. С этой энергии большая часть приходится на кинетическую энергию дочерних ядер, разлетающихся со скоростью, которая составляет 3% скорости света. Вылетающих из ядра также 2-3 нейтроны с энергией около 2 МэВ каждый.


3. Цепная реакция

Схематическое изображение цепной реакции

При делении ядер выделяются нейтроны. Их количество зависит от конкретного сценария разделения. Обычно выделяются 2-3 нейтроны. Эти нейтроны могут увлечься другими, еще неразделенными ядрами, и вызвать их деление, при котором опять же выделяются новые нейтроны. Такая реакция называется цепной. Цепная реакция характеризуется коэффициентом размножения нейтронов. Он зависит не только от числа нейтронов, выделяющихся при каждом акте деления, но и от потерь нейтронов: часть нейтронов вылетает за пределы области, где происходит реакция и находятся способны к делению ядра, другая же часть поглощается ядрами других (стабильных) химических элементов и не вызывает реакций деления. Если коэффициент размножения больше единицы, возникает взрыв. Такой сценарий используется в атомных бомбах. Если коэффициент размножения строго равна единице, то реакция протекает стабильно. Такой сценарий используется в ядерных реакторах.

Вероятность поглощения нейтрона ядром зависит от энергии нейтрона. Для 235 U вероятность увеличивается при уменьшении скорости нейтронов. Поэтому в ядерных реакторах используются замедлители нейтронов. Поскольку важнейшими для реакции деления является тепловые нейтроны, то коэффициент размножения нейтронов зависит от температуры в ядерном реакторе. Для управления реакцией в реактор вводят (или выводят) вещества, способные поглощать нейтроны, таким образом уменьшая (или увеличивая) их поток.


4. История открытия

Деление ядра урана был открыт в 1934 г. Отто Ганом [1].

За это открытие он получил Нобелевскую премию по химии в 1944 г. Облучая уран нейтронами, Ган неожиданно обнаружил, что одним из продуктов деления намного легче барий. Правильную интерпретацию этому странному явлению дали только через несколько лет, и результат был опубликован в 1939 -м. В то время вывод о разделении ядра уже нашел подтверждение в эксперименте Отто Фриша и Лизы Мейтнер [2].

Фредерик Жолио-Кюри с сотрудниками установили, что при делении урана выделяются нейтроны, что открыло перспективы проведения цепной реакции. Таким образом, открывался путь к использованию ядерной энергии. Это открытие изменило ход истории, дало новое мощный источник энергии, привело к появлению ядерного оружия, в гонки вооружений и, в общем, к относительному миру в мире на протяжении второй половины 20-го века.


5. Смотрите также

Источники

  • Булавин Л.А., Тартаковский В.К. Ядерная физика. - М.: Знание, 2005.
  • Фрауэнфельдер Г., Хенли Э.. Субатомная физика. - Москва: Мир, 1979.

Примечания

  1. O. Hahn and F. Strassmann. ber den Nachweis und das Verhalten der bei der Bestrahlung des Urans mittels Neutronen entstehenden Erdalkalimetalle, Naturwissenschaften Volume 27, Number 1, 11-15 (1939) ..
  2. Lise Meitner and O. R. Frisch. "Disintegration of Uranium by Neutrons: a New Type of Nuclear Reaction", Nature, Volume 143, Number 3615, 239-240


код для вставки
Данный текст может содержать ошибки.

скачать

© Надо Знать
написать нам