Деление ядер

Деление ядер

Бомбардируя ядра урана медленным нейтронами, немецкие физики Ган и Штрассман обнаружили появление элементов средней части периодической системы: бария, криптона, стронция, рубидия, цезия и т. д. Так было открыто деление ядер урана.

На рис. 1 мы видим процесс деления ядра. Захватывая нейтрон, ядро урана делится на два осколка, и при этом освобождаются два-три нейтрона.

Рисунок 1. Деление ядра урана

Осколки являются ядрами радиоактивных изотопов элементов середины таблицы Менделеева. Один из осколков всегда больше другого. Например, при бомбардировке урана могут встречаться такие комбинации осколков (как говорят, реакция идёт по следующим каналам).

• Барий и криптон:

• Цезий и рубидий:

• Ксенон и стронций:

Вообще, известно около 50 каналов распада ядра урана . В каждой из этих реакций выделяется очень большая энергия — порядка 200 МэВ.Откуда берётся такое количество энергии?

Основная причина состоит в том, что из-за наличия большого числа протонов — а их в ядре урана упаковано 92 штуки — кулоновские силы отталкивания, распирающие ядро, очень велики. Ядерные силы пока ещё в состоянии удерживать ядро от распада, но могучий кулоновский фактор готов сказать своё слово в любой момент.

И такой момент настаёт, когда в ядре застревает нейтрон (рис.2).

Рис. 2. Деформация, колебания и разрыв ядра

Застрявший нейтрон вызывает деформацию ядра и колебания его формы. Эти колебания могут стать столь интенсивными, что ядро вытянется в «гантельку». Между половинками гантельки образуется тонкий перешеек из небольшого числа нуклонов.

Получается, что силам электрического отталкивания половинок гантельки противостоят короткодействующие ядерные силы, скрепляющие нуклоны перешейка. Чем тоньше становится перешеек, тем меньше в нём оказывается нуколонов, и тем слабее будет действие ядерных сил. В конце концов перешеек не выдержит, и ядро разорвётся.

Осколки ядра разлетаюттся с огромной скоростью — около 1/30 скорости света. Они и уносят б´ольшую часть энергии, высвобождающейся при делении ядра.

Появление двух-трёх свободных нейтронов — характерная черта деления ядра урана. Чем объясняется их неизменное присутствие в каждом канале деления?

Дело в том, что по мере движения от конца таблицы Менделеева к её началу отношение N/A числа нейтронов к числу нуклонов в стабильных ядрах уменьшается. Возьмём в качестве примера уран и продукты его деления — барий и криптон (стабильные ядра).

• Для урана имеем N/A = 143/235 = 0,61;

• Для бария имеем N/A = 81/137 = 0,59;

• Для криптона имеем N/A = 48/84 = 0,57.

Поэтому при делении тяжёлого ядра возникают «лишние» нейтроны, часть которых и освобождается в качестве продуктов реакции. Другая часть лишних нейтронов остаётся в ядрахосколках, делая их радиоактивными. Осколки дают начало целым цепочкам β-распадов, последовательно уменьшающих отношение N/A. Например:

(концом этой цепочки является стабильное ядро изотопа церия). В ядерной энергетике такие цепочки распадов продуктов деления тяжёлых ядер создают серьёзную экологическую проблему ликвидации радиоактивных отходов.

Деление тяжёлых ядер можно истолковать с точки зрения уже известного нам графика зависимости удельной энергии связи ядра от его массового числа (рис. 3).

Рис.3. Деление тяжёлых ядер энергетически выгодно

Цветом выделена область , в которой удельная энергия связи достигает наибольшего значения 8,7 МэВ/нуклон. Это область наиболее устойчивых ядер. Справа от этой области удельная энергия связи плавно уменьшается до 7,6 МэВ/нуклон у ядра урана.

Процесс превращения менее устойчивых ядер в более устойчивые является энергетически выгодным и сопровождается выделением энергии. При делении ядра урана, как видим, удельная энергия связи повышается примерно на 1 МэВ/нуклон; эта энергия как раз и выделяется в процессе деления. Умножив это на число нуклонов в ядре урана, получим приблизительно те самые 200 МэВ энергетического выхода, о которых говорилось выше.