Реакции деления ядер. Деление ядер урана и цепная реакция

Деление ядер урана при бомбардировке их нейтронами было открыто в 1939 г. немецкими учёными Отто Ганом и Фрицем Штрассманом.

Oттo Ган (1879-1968)
Немецкий физик, учёный-новатор в области радиохимии. Открыл расщепление урана, ряд радиоактивных элементов

Фриц Штрассман (1902-1980)
Немецкий физик и химик. Работы относятся к ядерной химии, ядерному делению. Дал химическое доказательство процессу деления

Рассмотрим механизм этого явления. На рисунке 162, а условно изображено ядро атома урана . Поглотив лишний нейтрон, ядро возбуждается и деформируется, приобретая вытянутую форму (рис. 162, б).

Рис. 162. Процесс деления ядра урана под воздействием попавшего в него нейтрона

Вы уже знаете, что в ядре действует два вида сил: электростатические силы отталкивания между протонами, стремящиеся разорвать ядро, и ядерные силы притяжения между всеми нуклонами, благодаря которым ядро не распадается. Но ядерные силы - короткодействующие, поэтому в вытянутом ядре они уже не могут удержать сильно удалённые друг от друга части ядра. Под действием электростатических сил отталкивания ядро разрывается на две части (рис. 162, в), которые разлетаются в разные стороны с огромной скоростью и излучают при этом 2-3 нейтрона.

Получается, что часть внутренней энергии ядра переходит в кинетическую энергию разлетающихся осколков и частиц. Осколки быстро тормозятся в окружающей среде, в результате чего их кинетическая энергия преобразуется во внутреннюю энергию среды (т. е. в энергию взаимодействия и теплового движения составляющих её частиц).

При одновременном делении большого количества ядер урана внутренняя энергия окружающей уран среды и соответственно её температура заметно возрастают (т. е. среда нагревается).

Таким образом, реакция деления ядер урана идёт с выделением энергии в окружающую среду.

Энергия, заключённая в ядрах атомов, колоссальна. Например, при полном делении всех ядер, имеющихся в 1 г урана, выделилось бы столько же энергии, сколько выделяется при сгорании 2,5 т нефти. Для преобразования внутренней энергии атомных ядер в электрическую на атомных электростанциях используют так называемые цепные реакции деления ядер .

Рассмотрим механизм протекания цепной реакции деления ядра изотопа урана . Ядро атома урана (рис. 163) в результате захвата нейтрона разделилось на две части, излучив при этом три нейтрона. Два из этих нейтронов вызвали реакцию деления ещё двух ядер, при этом образовалось уже четыре нейтрона. Эти, в свою очередь, вызвали деление четырёх ядер, после чего образовалось девять нейтронов и т. д.

Цепная реакция возможна благодаря тому, что при делении каждого ядра образуется 2-3 нейтрона, которые могут принять участие в делении других ядер.

На рисунке 163 показана схема цепной реакции, при которой общее число свободных нейтронов в куске урана лавинообразно увеличивается со временем. Соответственно резко возрастает число делений ядер и энергия, выделяющаяся в единицу времени. Поэтому такая реакция носит взрывной характер (она протекает в атомной бомбе).

Рис. 163. Цепная реакция деления ядер урана

Возможен другой вариант, при котором число свободных нейтронов уменьшается со временем. В этом случае цепная реакция прекращается. Следовательно, такую реакцию тоже нельзя использовать для производства электроэнергии.

В мирных целях возможно использовать энергию только такой цепной реакции, в которой число нейтронов не меняется с течением времени.

Как же добиться того, чтобы число нейтронов всё время оставалось постоянным? Для решения этой проблемы нужно знать, какие факторы влияют на увеличение и на уменьшение общего числа свободных нейтронов в куске урана, в котором протекает цепная реакция.

Одним из таких факторов является масса урана. Дело в том, что не каждый нейтрон, излучённый при делении ядра, вызывает деление других ядер (см. рис. 163). Если масса (и соответственно размеры) куска урана слишком мала, то многие нейтроны вылетят за его пределы, не успев встретить на своём пути ядро, вызвать его деление и породить таким образом новое поколение нейтронов, необходимых для продолжения реакции. В этом случае цепная реакция прекратится. Чтобы реакция не прекращалась, нужно увеличить массу урана до определённого значения, называемого критическим .

Почему при увеличении массы цепная реакция становится возможной? Чем больше масса куска, тем больше его размеры и тем длиннее путь, который проходят в нём нейтроны. При этом вероятность встречи нейтронов с ядрами возрастает. Соответственно увеличивается число делений ядер и число излучаемых нейтронов.

При критической массе урана число нейтронов, появившихся при делении ядер, становится равным числу потерянных нейтронов (т. е. захваченных ядрами без деления и вылетевших за пределы куска).

Поэтому их общее число остаётся неизменным. При этом цепная реакция может идти длительное время, не прекращаясь и не приобретая взрывного характера.

• Наименьшая масса урана, при которой возможно протекание цепной реакции, называется критической массой

Если масса урана больше критической, то в результате резкого увеличения числа свободных нейтронов цепная реакция приводит к взрыву, а если меньше критической, то реакция не протекает из-за недостатка свободных нейтронов.

Уменьшить потерю нейтронов (которые вылетают из урана, не прореагировав с ядрами) можно не только за счет увеличения массы урана, но и с помощью специальной отражающей оболочки. Для этого кусок урана помещают в оболочку, сделанную из вещества, хорошо отражающего нейтроны (например, из бериллия). Отражаясь от этой оболочки, нейтроны возвращаются в уран и могут принять участие в делении ядер.

Существует ещё несколько факторов, от которых зависит возможность протекания цепной реакции. Например, если кусок урана содержит слишком много примесей других химических элементов, то они поглощают большую часть нейтронов и реакция прекращается.

Наличие в уране так называемого замедлителя нейтронов также влияет на ход реакции. Дело в том, что ядра урана-235 с наибольшей вероятностью делятся под действием медленных нейтронов. А при делении ядер образуются быстрые нейтроны. Если быстрые нейтроны замедлить, то большая их часть захватится ядрами урана-235 с последующим делением этих ядер. В качестве замедлителей используются такие вещества, как графит, вода, тяжёлая вода (в состав которой входит дейтерий - изотоп водорода с массовым числом 2), и некоторые другие. Эти вещества только замедляют нейтроны, почти не поглощая их.

Таким образом, возможность протекания цепной реакции определяется массой урана, количеством примесей в нём, наличием оболочки и замедлителя и некоторыми другими факторами.

Критическая масса шарообразного куска урана-235 приблизительно равна 50 кг. При этом его радиус составляет всего 9 см, поскольку уран имеет очень большую плотность.

Применяя замедлитель и отражающую оболочку и уменьшая количество примесей, удаётся снизить критическую массу урана до 0,8 кг.

Вопросы

1. Почему деление ядра может начаться только тогда, когда оно деформируется под действием поглощённого им нейтрона?
2. Что образуется в результате деления ядра?
3. В какую энергию переходит часть внутренней энергии ядра при его делении; кинетическая энергия осколков ядра урана при их торможении в окружающей среде?
4. Как идёт реакция деления ядер урана - с выделением энергии в окружающую среду или, наоборот, с поглощением энергии?
5. Расскажите о механизме протекания цепной реакции, используя рисунок 163.
6. Что называется критической массой урана?
7. Возможно ли протекание цепной реакции, если масса урана меньше критической; больше критической? Почему?

Ядерные реакции. Взаимодействие частицы с атомным ядром, приводящее к превращению этого ядра в новое ядро с выделением вторичных частиц или гамма-квантов, называется ядерной реакцией.

Первая ядерная реакция была осуществлена Резерфордом в 1919 г. Он обнаружил, что при столкновениях альфа-частиц с ядрами атомов азота образуются быстро движущиеся протоны. Это означало, что ядро изотопа азота в результате столкновения с альфа-частицей превращалось в ядро изотопа кислорода :

.

Ядерные реакции могут протекать с выделением или поглощением энергии. Используя закон взаимосвязи массы и энергии, энергетический выход ядерной реакции можно определить, найдя разность масс частиц, вступающих в реакцию, и продуктов реакции:

Цепная реакция деления ядер урана. Среди различных ядерных реакций особо важное значение в жизни современного человеческого общества имеют цепные реакции деления некоторых тяжелых ядер.

Реакция деления ядер урана при бомбардировке их нейтронами была открыта в 1939 г. В результате экспериментальных и теоретических исследований, выполненных Э. Ферми, И. Жолио-Кюри, О. Ганом, Ф. Штрассманом, Л. Мейтнер, О. Фришем, Ф. Жолио-Кюри, было установлено, что при попадании в ядро урана одного нейтрона ядро делится на две-три части.

При делении одного ядра урана освобождается около 200 МэВ энергии. На кинетическую энергию движения ядер-осколков приходится примерно 165 МэВ, остальную энергию уносят гамма-кванты.

Зная энергию, выделяющуюся при делении одного ядра урана, можно подсчитать, что выход энергии при делении всех ядер 1 кг урана составляет 80 тысяч миллиардов джоулей. Это в несколько миллионов раз больше, чем выделяется при сжигании 1 кг каменного угля или нефти. Поэтому были предприняты поиски путей освобождения ядерной энергии в значительных количествах для использования ее в практических целях.

Впервые предположение о возможности осуществления цепных ядерных реакций высказал Ф. Жолио-Кюри в 1934 г. Он же в 1939 г. вместе с X. Xалбаном и Л. Коварски экспериментально обнаружил, что при делении ядра урана, кроме осколков-ядер, вылетают также 2-3 свободных нейтрона. При благоприятных условиях эти нейтроны могут попасть в другие ядра урана и вызвать их деление. При делении трех ядер урана должно освободиться 6-9 новых нейтронов, они попадут в новые ядра урана и т.д. Схема развития цепной реакции деления ядер урана представлена на рисунке 316.

Рис. 316

Практическое осуществление цепных реакций - не такая простая задача, как это выглядит на схеме. Нейтроны, освобождающиеся при делении ядер урана, способны вызывать деление лишь ядер изотопа урана с массовым числом 235, для разрушения же ядер изотопа урана с массовым числом 238 их энергия оказывается недостаточной. В природном уране на долю урана с массовым числом 238 приходится 99,8%, а на долю урана с массовым числом 235 - всего лишь 0,7%. Поэтому первый возможный путь осуществления цепной реакции деления связан с разделением изотопов урана и получением в чистом виде в достаточно больших количествах изотопа . Необходимое условие для осуществления цепной реакции - наличие достаточно большого количества урана, так как в образце малых размеров большинство нейтронов пролетает сквозь образец, не попав ни в одно ядро. Минимальная масса урана, в котором может возникнуть цепная реакция, называется критической массой. Критическая масса для урана-235 - несколько десятков килограммов.

Простейшим способом осуществления цепной реакции в уране-235 является следующий: изготавливают два куска металлического урана, каждый с массой, несколько меньшей критической. Цепная реакция в каждом из них в отдельности идти не может. При быстром соединении этих кусков развивается цепная реакция и выделяется колоссальная энергия. Температура урана достигает миллионов градусов, сам уран и любые другие вещества, находящиеся поблизости, превращаются в пар. Раскаленный газообразный шар быстро расширяется, сжигая и разрушая все на своем пути. Так происходит ядерный взрыв.

Использовать энергию ядерного взрыва в мирных целях очень трудно, так как выделение энергии при этом не поддается контролю. Управляемые цепные реакции деления ядер урана осуществляются в ядерных реакторах.

Ядерный реактор. Первыми ядерными реакторами были реакторы на медленных нейтронах (рис. 317). Большинство нейтронов, освобождающихся при делении ядер урана, обладают энергией 1-2 МэВ. Скорости их при этом равны примерно 107 м/с, поэтому их называют быстрыми нейтронами. При таких энергиях нейтроны взаимодействуют с ядрами урана и урана примерно с одинаковой эффективностью. А так как ядер урана в природном уране в 140 раз больше, чем ядер урана , большая часть этих нейтронов поглощается ядрами урана и цепная реакция не развивается. Нейтроны, движущиеся со скоростями, близкими к скорости теплового движения (около 2·10 3 м/с), называются медленными или тепловыми. Медленные нейтроны хорошо взаимодействуют с ядрами урана-235 и поглощаются ими в 500 раз эффективнее, чем быстрые. Поэтому при облучении природного урана медленными нейтронами большая часть их поглощается не в ядрах урана-238, а в ядрах урана-235 и вызывает их деление. Следовательно, для развития цепной реакции в природном уране скорости нейтронов должны быть уменьшены до тепловых.

Рис. 317

Замедление нейтронов происходит в результате столкновения с атомными ядрами среды, в которой они движутся. Для замедления нейтронов в реакторе используется специальное вещество, называемое замедлителем. Ядра атомов вещества-замедлителя должны обладать сравнительно небольшой массой, так как при столкновении с легким ядром нейтрон теряет энергию большую, чем при столкновении с тяжелым. Наиболее распространенными замедлителями являются обычная вода и графит.

Пространство, в котором протекает цепная реакция, называется активной зоной реактора. Для уменьшения утечки нейтронов активную зону реактора окружают отражателем нейтронов, отбрасывающим значительную часть вылетающих нейтронов внутрь активной зоны. В качестве отражателя используют обычно то же вещество, которое служит замедлителем.

Энергия, выделяющаяся при работе реактора, выводится при помощи теплоносителя. В качестве теплоносителя могут использоваться лишь жидкости и газы, не обладающие способностью поглощать нейтроны. Широко применяется в качестве теплоносителя обычная вода, иногда применяются углекислый газ и даже жидкий металлический натрий.

Управление реактором осуществляется с помощью специальных управляющих (или регулирующих) стержней, вводимых в активную зону реактора. Управляющие стержни изготавливаются из соединений бора или кадмия, поглощающих тепловые нейтроны с очень большой эффективностью. Перед началом работы реактора их полностью вводят в его активную зону. Поглощая значительную часть нейтронов, они делают невозможным развитие цепной реакции. Для запуска реактора управляющие стержни постепенно выводят из активной зоны до тех пор, пока выделение энергии не достигнет заданного уровня. При увеличении мощности свыше установленного уровня включаются автоматы, погружающие управляющие стержни в глубь активной зоны.

Ядерная энергетика. Ядерная энергия на службу мира была поставлена впервые в нашей стране. Первым организатором и руководителем работ по атомной науке и технике в СССР был академик Игорь Васильевич Курчатов (1903-1960).

В настоящее время крупнейшая в СССР и в Европе Ленинградская АЭС им. В.И. Ленина имеет мощность 4000 МВт, т.е. в 800 раз большую мощности первой АЭС.

Себестоимость электроэнергии, вырабатываемой на крупных атомных электростанциях, ниже себестоимости электроэнергии, вырабатываемой на тепловых электростанциях. Поэтому атомная энергетика развивается ускоренными темпами.

Ядерные реакторы применяются в качестве силовых установок на морских кораблях. Первый в мире мирный корабль с ядерной силовой установкой - атомный ледокол "Ленин" - был построен в Советском Союзе в 1959 г.

Советский атомный ледокол "Арктика", построенный в 1975 г., стал первым в мире надводным кораблем, достигшим Северного полюса.

Термоядерная реакция. Ядерная энергия освобождается не только в ядерных реакциях деления тяжелых ядер, но и в реакциях соединения легких атомных ядер.

Для соединения одноименно заряженных протонов необходимо преодолеть кулоновские силы отталкивания, что возможно при достаточно больших скоростях сталкивающихся частиц. Необходимые условия для синтеза ядер гелия из протонов имеются в недрах звезд. На Земле термоядерная реакция синтеза осуществлена при экспериментальных термоядерных взрывах.

Синтез гелия из легкого изотопа водорода происходит при температуре около 108 К, а для синтеза гелия из тяжелых изотопов водорода - дейтерия и трития - по схеме

требуется нагревание примерно до 5·10 7 К.

При синтезе 1 г гелия из дейтерия и трития выделяется энергия 4,2·10 11 Дж. Такая энергия выделяется при сжигании 10 тонн дизельного топлива.

Запасы водорода на Земле практически неисчерпаемы, поэтому использование энергии термоядерного синтеза в мирных целях является одной из важнейших задач современной науки и техники.

Управляемую термоядерную реакцию синтеза гелия из тяжелых изотопов водорода путем нагревания предполагается осуществить путем пропускания электрического тока через плазму. Для удержания нагретой плазмы от соприкосновения со стенками камеры применяется магнитное поле. На экспериментальной установке "Токамак-10" советским физикам удалось нагреть плазму до температуры 13 млн. градусов. До более высоких температур водород может быть нагрет с помощью лазерного излучения. Для этого световые пучки от нескольких лазеров должны быть сфокусированы на стеклянном шарике, внутри которого заключена смесь тяжелых изотопов дейтерия и трития. В экспериментах на лазерных установках уже получена плазма с температурой в несколько десятков миллионов градусов.

Цель: сформировать у учащихся представление о делении ядер урана.

• проверить ранее изученный материал;
• рассмотреть механизм деления ядра урана;
• рассмотреть условие возникновения цепной реакции;
• выяснить факторы, влияющие на протекание цепной реакции;
• развивать речь и мышление учащихся;
• развивать умение анализировать, контролировать и корректировать собственную деятельность в рамках заданного времени.

Оборудование: компьютер, проекционная система, дидактический материал (тест “Состав ядра”), диски “Интерактивный курс. Физика 7-11кл” (Физикон) и “1С-репититор. Физика” (1С).

Ход занятия

I. Организационный момент (2’).

Приветствие, объявление плана занятия.

II. Повторение ранее изученного материала (8’).

Самостоятельная работа учащихся – выполнение теста (приложение 1 ). В тесте необходимо указать один верный ответ.

III. Изучение нового материала (25’). По ходу урока составляем конспект (приложение 2 ).

Мы с вами недавно узнали, что некоторых химические элементы при радиоактивном распаде превращаются в другие химические элементы. А как вы думаете, что будет, если в ядро атома некоторого химического элемента направить какую-нибудь частицу, ну, например, нейтрон в ядро урана? (выслушиваю предположения учащихся)

А давайте проверим ваши предположения (работа с интерактивной моделью “Деление ядра” “Интерактивный курс. Физика 7-11кл”).

Что в результате получилось?

– При попадании нейтрона в ядро урана, мы видим, что в результате образуется 2 осколка и 2-3 нейтрона.

Тот же эффект был получен в 1939г немецкими учеными Отто Ганом и Фрицем Штрассманом. Они обнаружили, что в результате взаимодействия нейтронов с ядрами урана появляются радиоактивные ядра-осколки, массы и заряды которых примерно вдвое меньше соответствующих характеристик ядер урана. Происходящее подобным образом деление ядер называют вынужденным делением, в отличие от спонтанного, которое происходит при естественных радиоактивных превращениях.

Ядро приходит в состояние возбуждения и начинает деформироваться. Почему ядро разрывается на 2 части? Под действием каких сил происходит разрыв?

Какие силы действуют внутри ядра?

– Электростатические и ядерные.

Хорошо, а как проявляются электростатические силы?

– Электростатические силы действуют между заряженными частицами. В ядре заряженной частицей является протон. Так как протон заряжен положительно значит, между ними действуют силы отталкивания.

Верно, а как проявляются ядерные силы?

– Ядерные силы – силы притяжения между всеми нуклонами.

Так, под действием каких сил происходит разрыв ядра?

– (Если возникнут затруднения, задаю наводящие вопросы и подвожу учащихся к правильному выводу) Под действием электростатических сил отталкивания ядро разрывается на две части, которые разлетаются в разные стороны и излучают при этом 2-3 нейтрона.

Осколки разлетаются с очень большой скоростью. Получается, что часть внутренней энергии ядра переходит в кинетическую энергию разлетающихся осколков и частиц. Осколки попадают в окружающую среду. Как вы думаете, что происходит с ними?

– Осколки тормозятся в окружающей среде.

Чтобы не нарушать закон сохранения энергии, мы должны сказать, что произойдет с кинетической энергией?

– Кинетическая энергия осколков преобразуется во внутреннюю энергию среды.

Можно ли заметить, что внутренняя энергия среды изменилась?

– Да, среда нагревается.

А будет ли влиять на изменение внутренней энергии тот фактор, что в делении будет участвовать разное количество ядер урана?

– Конечно, при одновременном делении большого количества ядер урана внутренняя энергия окружающей уран среды возрастает.

Из курса химии, вы знаете, что реакции могут происходит как с поглощением энергии, так и выделением. Что мы скажем о протекании реакции деления ядер урана?

– Реакция деления ядер урана идет с выделением энергии в окружающую среду.

Энергия, заключенная в ядрах атомов, колоссальна. Например, при полном делении всех ядер, имеющихся в 1г урана, выделилось бы столько же энергии, сколько выделяется при сгорании 2,5т нефти. Выяснили, что произойдет с осколками, а как поведут себя нейтроны?

– (выслушиваю предположения учащихся, проверяем предположения, работая с интерактивной моделью “Цепная реакция” “1С-репититор. Физика”).

Верно, нейтроны на своем пути могут встретить ядра урана и вызвать деление. Такая реакция называется цепной.

Итак, каково условие возникновения цепной реакции?

– Цепная реакция возможна благодаря тому, что при делении каждого ядра образуется 2-3 нейтрона, которые могут принять участие в делении других ядер.

Мы видим, что общее число свободных нейтронов в куске урана лавинообразно увеличивается со временем. К чему это может привести?

– К взрыву.

– Возрастает число делений ядер и, соответственно энергия, выделяющаяся в единицу времени.

Но ведь, возможен и другой вариант, при котором число свободных нейтронов уменьшается со временем, не встретил нейтрон на своем пути ядро. В этом случае что произойдет с цепной реакцией?

– Прекратится.

Можно ли использовать в мирных целях энергию подобных реакций?

А как должна протекать реакция?

– Реакция должна протекать так, чтобы число нейтронов со временем оставалось постоянным.

Как же добиться того, чтобы число нейтронов все время оставалось постоянным?

– (предложения ребят)

Для решения этой проблемы нужно знать, какие факторы влияют на увеличение и на уменьшение общего числа свободны нейтронов в куске урана, в котором протекает цепная реакция.

Одним из таких факторов является масса урана . Дело в том, что не каждый нейтрон, излученный при делении ядра, вызывает деление других ядер. Если масса (и соответственно размеры) куска урана слишком мала, то многие нейтроны вылетят за его пределы, не успев встретить на своем пути ядро, вызвать его деление и породить таким образом новое поколение нейтронов, необходимых для продолжения реакции. В этом случае цепная реакция прекратится. Чтобы реакция не прекращалась, нужно увеличить массу урана до определенного значения, называемого критическим .

Почему при увеличении массы цепная реакция становится возможной?

– Чем больше масса куска, тем больше вероятность встречи нейтронов с ядрами. Соответственно увеличивается число делений ядер и число излучаемых нейтронов.

При некоторой так называемой критической массе урана число нейтронов, появившихся при делении ядер, становится равным числу потерянных нейтронов (т. е. захваченных ядрами без деления и вылетевших за пределы куска).

Поэтому их общее число остается неизменным. При этом цепная реакция может идти длительное время, не прекращаясь и не приобретая взрывного характера.

Наименьшая масса урана, при которой возможно протекание цепной реакции, называется критической массой.

Как будет протекать реакция если масса урана больше критической?

– В результате резкого увеличения числа свободных нейтронов цепная реакция приводит к взрыву.

А если меньше критической?

– Реакция не протекает из-за недостатка свободных нейтронов.

Уменьшить потерю нейтронов (которые вылетают из урана, не прореагировав с ядрами) можно не только за счет увеличения массы урана, но и с помощью специальной отражающей оболочки . Для этого кусок урана помещают в оболочку, сделанную из вещества, хорошо отражающего нейтроны (например, из бериллия). Отражаясь от этой оболочки, нейтроны возвращаются в уран и могут принять участие в делении ядер.

Помимо массы и наличия отражающей оболочки существует еще несколько факторов, от которых зависит возможность протекания цепной реакции. Например, если кусок урана содержит слишком много примесей других химических элементов, то они поглощают большую часть нейтронов и реакция прекращается.

Еще одними фактором, влияющим на ход реакции, является наличие в уране так называемого замедлителя нейтронов . Дело в том, что ядра урана-235 с наибольшей вероятностью делятся под действием медленных нейтронов. А при делении ядер образуются быстрые нейтроны. Если быстрые нейтроны замедлить, то большая их часть захватится ядрами урана-235 с последующим делением этих ядер, в качестве замедлителей используются такие вещества, как графит, пода, тяжелая вода и некоторые другие. Эти вещества только замедляют нейтроны, почти не поглощая их.

Итак, какие основные факторы способны влиять на протекание цепной реакции?

– Возможность протекания цепной реакции определяется массой урана, количеством примесей в нем, наличием оболочки и замедлителя.

Критическая масса шарообразного куска урана-235 приблизительно равна 50кг. При этом его радиус составляет всего 9см, поскольку уран имеет очень большую плотность.

Применяя замедлитель и отражающую оболочку, и уменьшая количество примесей, удается снизить критическую массу урана до 0,8 кг.

Цепная ядерная реакция. В результате опытов по облучению нейтронами урану было найдено, что под действием нейтронов ядра урана делятся на два ядра (осколка) примерно половинной массы и заряда; этот процесс сопровождается испусканием нескольких (двух-трех) нейтронов (рис. 402). Помимо урана, способны делиться еще некоторые элементы из числа последних элементов периодической системы Менделеева. Эти элементы, так же как и уран, делятся не только под действием нейтронов, но также без внешних воздействий (спонтанно). Спонтанное деление было установлено на опыте советскими физиками К. А. Петржаком и Георгием Николаевичем Флеровым (р. 1913) в 1940г. Оно представляет собой весьма редкий процесс. Так, в 1г урана происходит всего лишь около 20 спонтанных делений в час.

Рис. 402. Деление ядра урана под действием нейтронов: а) ядро захватывает нейтрон; б) удар нейтрона о ядро приводит последнее в колебания; в) ядро делится на два осколка; при этом испускается еще несколько нейтронов

Благодаря взаимному электростатическому отталкиванию осколки деления разлетаются в противоположные стороны, приобретая огромную кинетическую энергию (около ). Реакция деления происходит, таким образом, со значительным выделением энергии. Быстродвижущиеся осколки интенсивно ионизуют атомы среды. Это свойство осколков используют для обнаружения процессов деления при помощи ионизационной камеры или камеры Вильсона. Фотография следов осколков деления в камере Вильсона приведена на рис. 403. Крайне существенным является то обстоятельство, что нейтроны, испущенные при делении уранового ядра (так называемые вторичные нейтроны деления), способны вызывать деление новых ядер урана. Благодаря этому можно осуществить цепную реакцию деления: однажды возникнув, реакция в принципе может продолжаться сама собой, охватывая все большее число ядер. Схема развития такой нарастающей целлон реакции изображена на рис. 404.

Рис. 403. Фотография следов осколков деления урана в камере Вильсона: осколки () разлетаются в противоположные стороны из тонкого слоя урана, нанесенного на пластинке, перегораживающей камеру. На снимке видно также множество более тонких следов, принадлежащих протонам, выбитым нейтронами из молекул водяного кара, содержащегося в камере

Осуществление цепной реакции деления на практике не просто; опыт показывает, что в массе природного урана цепная реакция не возникает. Причина этого кроется в потере вторичных нейтронов; в природном уране большая часть нейтронов выходит из игры, не вызывая делений. Как выявили исследования, потеря нейтронов происходит в наиболее распространенном изотопе урана - уране - 238 (). Этот изотоп легко поглощает нейтроны по реакции, подобно реакции серебра с нейтронами (см. § 222); при этом образуется искусственно-радиоактивный изотоп . Делится же с трудом и только под действием быстрых нейтронов.

Более удачными для цепной реакции свойствами обладает изотоп , который содержится в природном уране в количестве . Он делится под действием нейтронов любой энергии - быстрых и медленных и тем лучше, чем меньше энергия нейтронов. Конкурирующий с делением процесс - простое поглощение нейтронов - мало вероятен в в отличие от . Поэтому в чистом уране - 235 возможна цепная реакция деления при условии, однако, что масса урана-235 достаточно велика. В уране малой массы реакция деления обрывается из-за вылета вторичных нейтронов за пределы его вещества.

Рис. 404. Развитие ценной реакции деления: условно принято, что при делении ядра испускается два нейтрона и потерь нейтронов нет, т.е. каждый нейтрон вызывает новое деление; кружочки - осколки деления, стрелки - нейтроны деления

В самом деле, ввиду крошечных размеров атомных ядер нейтрон проходит в веществе значительный путь (измеряемый сантиметрами), прежде чем случайно натолкнется на ядро. Если размеры тела малы, то вероятность столкновения на пути до выхода наружу мала. Почти все вторичные нейтроны деления вылетают через поверхность тела, не вызывая новых делений, т. е. не продолжая реакции.

Из тела больших размеров вылетают наружу главным образом нейтроны, образовавшиеся в поверхностном слое. Нейтроны, образовавшиеся внутри тела, имеют перед собой достаточную толщу урана и в большинстве своем вызывают новые деления, продолжая реакцию (рис. 405). Чем больше масса урана, тем меньшую долю объема составляет поверхностный слой, из которого теряется много нейтронов, и тем благоприятнее условия для развития цепной реакции.

Рис. 405. Развитие цепной реакции деления в . а) В малой массе большинство нейтронов деления вылетает наружу. б) В большой массе урана многие нейтроны деления вызывают деления новых ядер; число делений возрастает от поколения к поколению. Кружочки - осколки деления, стрелки - нейтроны деления

Увеличивая постепенно количество , мы достигнем критической массы, т. е. наименьшей массы, начиная с которой возможна незатухающая цепная реакция деления в . При дальнейшем увеличении массы реакция начнет бурно развиваться (начало ей положат спонтанные деления). При уменьшении массы ниже критической реакция затухает.

Итак, можно осуществить цепную реакцию деления. Если располагать достаточным количеством чистого , отделенного от .

Как мы видели в §202, разделение изотопов представляет собой хотя сложную и дорогую, но все же выполнимую операцию. И действительно, извлечение из природного урана явилось одним из тех способов, при помощи которых цепная реакция деления была осуществлена на практике.

Наряду с этим цепная реакция была достигнута и другим способом, не требующим разделения изотопов урана. Этот способ несколько более сложен в принципе, но зато более прост в осуществлении. Он использует замедление быстрых вторичных нейтронов деления до скоростей теплового движения. Мы видели, что в природном уране незамедленные вторичные нейтроны поглощаются главным образом изотопом . Так как поглощение в не приводит к делению, то реакция обрывается. Как показывают измерения, при замедлении нейтронов до тепловых скоростей поглощающая способность возрастает сильнее поглощающей способности . Поглощение нейтронов изотопом , ведущее к делению, получает перевес. Поэтому, если замедлить нейтроны деления, не дав им поглотится в , цепная реакция станет возможной и с природным ураном.

Рис. 406. Система из природного урана и замедлителя, в которой может развиваться цепная реакция деления

На практике такого результата добиваются, помещая топкие стержни из природного урана в виде редкой решетки в замедлитель (рис. 406). В качестве замедлителей используют вещества, обладающие малой атомной массой и слабо поглощающие нейтроны. Хорошими замедлителями являются графит, тяжелая вода, бериллий.

Пусть в одном из стержней произошло деление ядра урана. Так как стержень сравнительно тонкий, то быстрые вторичные нейтроны вылетят почти все в замедлитель. Стержни расположены в решетке довольно редко. Вылетевший нейтрон до попадания в новый стержень испытывает много соударений с ядрами замедлителя и замедляется до скорости теплового движения (рис. 407). Попав затем в урановый стержень, нейтрон поглотится скорее всего в и вызовет новое деление, продолжая тем самым реакцию. Цепная реакция деления была впервые осуществлена в США в 1942г. группой ученых под руководством итальянского физика Энрико Ферми (1901-1954) в системе с природным ураном. Независимо этот процесс был реализован в СССР в 1946г. академиком Игорем Васильевичем Курчатовым (1903-1960) с сотрудниками.

Рис. 407. Развитие ценной реакции деления в системе из природного урана и замедлителя. Быстрый нейтрон, вылетев из тонкого стержня, попадет в замедлитель и замедляется. Попав снова в уран, замедленный нейтрон скорее всего поглощается в , вызывая деление (обозначение: два белых кружка). Некоторые нейтроны поглощаются в , не вызывая деления (обозначение: черный кружок)

Изучение взаимодействия нейтронов с веществом привело к открытию ядерных реакций нового типа. В 1939 г. О. Ган и Ф. Штрассман исследовали химические продукты, получающиеся при бомбардировке нейтронами ядер урана. Среди продуктов реакции был обнаружен барий - химический элемент с массой много меньше, чем масса урана. Задача была решена немецкими физиками Л. Мейтнерома и О. Фришем, показавшими, что при поглощении нейтронов ураном происходит деление ядра на два осколка:

где k > 1.

При делении ядра урана тепловой нейтрон с энергией ~ 0,1 эВ освобождает энергию ~ 200 МэВ. Существенным моментом является то, что этот процесс сопровождается появлением нейтронов, способных вызывать деление других ядер урана, – цепная реакция деления . Таким образом, один нейтрон может дать начало разветвленной цепи делений ядер, причем число ядер, участвующих в реакции деления будет экспоненциально возрастать. Открылись перспективы использования цепной реакции деления в двух направлениях :

· управляемая ядерная реакция деления – создание атомных реакторов;

· неуправляемая ядерная реакция деления – создание ядерного оружия.

В 1942 г. в США был построен первый ядерный реактор. В СССР первый реактор был запущен в 1946 г. В настоящее время тепловая и электрическая энергия вырабатывается в сотнях ядерных реакторов, работающих в различных странах мира.

Как видно из рис. 4.2, с ростом значения А удельная энергия связи увеличивается вплоть до А » 50. Это поведение можно объяснить сложением сил; энергия связи отдельного нуклона усиливается, если его притягивают не один или два, а несколько других нуклонов. Однако в элементах со значениями массового числа больше А » 50 удельная энергия связи постепенно уменьшается с ростом А. Это связано, с тем, что ядерные силы притяжения являются короткодействующими радиусом действия порядка размеров отдельного нуклона. За пределами этого радиуса преобладают силы электростатического отталкивания. Если два протона удаляются более чем на 2,5×10 - 15 м, то между ними преобладают силы кулоновского отталкивания, а не ядерного притяжения.

Следствием такого поведения удельной энергии связи в зависимости от А является существование двух процессов - синтеза и деления ядер . Рассмотрим взаимодействие электрона и протона. При образовании атома водорода высвобождается энергия 13,6 эВ и масса атома водорода оказы­вается на 13,6 эВ меньше суммы масс свободного электрона и протона. Аналогично, масса двух легких ядер превышает мaccу после их соединения на DМ . Если их соединить, то они сольются с выделением энергии DМс 2 . Этот процесс называется синтезом ядер . Разность масс может превышать 0,5 %.

Если расщепляется тяжелое ядро на два более легких ядра, то их масса будет меньше массы родительского ядра на 0,1 %. У тяжелых ядер существует тенденция к делению на два более легких ядра с выделением энергии . Энергия атомной бомбы и ядерного реактора представляет собой энергию , высвобождающуюся при делении ядер . Энергия водородной бомбы - это энергия, выделяющаяся при ядерном синтезе. Альфа-распад можно рассматривать как сильно асимметричное деление, при котором родительское ядро М расщепляется на маленькую альфа-частицу и большое остаточное ядро . Альфа-распад возможен, только если в реакции

масса М оказывается больше суммы масс и альфа-частицы. У всех ядер с Z > 82 (свинец) .При Z > 92 (уран) полупериоды альфа-распада оказываются значительно длиннее возраста Земли, и такие элементы не встречаются в природе. Однако их можно создать искусственно. Например, плутоний (Z = 94) можно получить из урана в ядерном реакторе. Эта процедура стала обычной и обходится всего в 15 долларов за 1 г. До сих пор удалось получить элементы вплоть до Z = 118, однако гораздо более дорогой ценой и, как правило, в ничтожных количествах. Можно надеяться, что радиохимики научатся получать, хотя и в небольших количествах, новые элементы сZ > 118.

Если бы массивное ядро урана удалось разделить на две группы нуклонов, то эти группы нуклонов перестроились бы в ядра с более сильной связью. В процессе перестройки выделилась бы энергия. Спонтанное деление ядер разрешено законом сохранения энергии. Однако потенциальный барьер в реакции деления у встречающихся в природе ядер настолько высок, что вероятность спонтанного деления оказывается много меньше вероятности альфа-распада. Период полураспада ядер 238 U относительно спонтанного деления составляет 8×10 15 лет. Это более чем в миллион раз превышает возраст Земли. Если нейтрон сталкивается с тяжелымядром, то оно может перейти на более высокий энергетический уровень вблизи вершины электростатического потенциального барьера, в результате возрастет вероятность деления. Ядро в возбужденном состоянии может обладать значительным моментом импульса и приобрести овальную форму. Участки на периферии ядра легче проникают сквозь барьер, поскольку они частично уже находятся за барьером. У ядра овальной формы роль барьера еще больше ослабляется. При захвате ядром или медленного нейтрона образуются состояния с очень короткими временами жизни относительно деления. Разность масс ядра урана и типичных продуктов деления такова, что в среднем при делении урана высвобождается энергия 200 МэВ. Масса покоя ядра урана 2,2×10 5 МэВ. В энергию превращается около 0,1 % этой массы, что равно отношению 200 МэВ к величине 2,2×10 5 МэВ.

Оценка энергии , освобождающейся при делении , может быть получена из формулы Вайцзеккера :

При делении ядра на два осколка изменяется поверхностная энергия и кулоновская энергия , причем поверхностная энергия увеличивается, а кулоновская энергия уменьшается. Деление возможно в том случае, когда энергия, высвобождающаяся при делении, Е > 0.

.

Здесь A 1 = A /2, Z 1 = Z /2. Отсюда получим, что деление энергетически выгодно, когда Z 2 /A > 17. Величина Z 2 /A называется параметром делимости . Энергия Е , освобождающаяся при делении, растет с увеличением Z 2 /A .

В процессе деления ядро изменяет форму - последовательно проходит черезследующие стадии (рис. 9.4): шар, эллипсоид, гантель, два грушевидных осколка, два сферических осколка.

После того как деление произошло, и осколки находятся друг от друга на расстоянии много большем их радиуса, потенциальную энергию осколков, определяемую кулоновским взаимодействием между ними, можно считать равной нулю.

Вследствие эволюции формы ядра, изменение его потенциальной энергии определяется изменением суммы поверхностной и кулоновской энергий . Предполагается, что объем ядра в процессе деформации остается неизменным. Поверхностная энергия при этом возрастает, так как увеличивается площадь поверхности ядра. Кулоновская энергия уменьшается, так как увеличивается среднее расстояние между нуклонами. В случае малых эллипсоидальных деформаций рост поверхностной энергии происходит быстрее, чем уменьшение кулоновской энергии.

В области тяжелых ядер сумма поверхностной и кулоновской энергий увеличивается с увеличением деформации. При малых эллипсоидальных деформациях рост поверхностной энергии препятствует дальнейшему изменению формы ядра, а следовательно и делению. Наличие потенциального барьера препятствует мгновенному самопроизвольному делению ядер. Для того чтобы ядро мгновенно разделилось, ему необходимо сообщить энергию, превышающую высоту барьера деления Н .

Высота барьера Н тем больше, чем меньше отношение кулоновской и поверхностной энергии в начальном ядре. Это отношение, в свою очередь, увеличивается с увеличением параметра делимости Z 2 /А. Чем тяжелее ядро, тем меньше высота барьера Н , так как параметр делимости увеличивается с ростом массового числа:

Более тяжелым ядрам, как правило, нужно сообщить меньшую энергию, чтобы вызвать деление. Из формулы Вайцзеккера следует, что высота барьера деления обращается в нуль при . Т.е. согласно капельной модели в природе должны отсутствовать ядра с , так как они практически мгновенно (за характерное ядерное время порядка 10 –22 с) самопроизвольно делятся. Существование атомных ядер с («остров стабильности ») объясняется оболочечной структурой атомных ядер. Самопроизвольное деление ядер с , для которых высота барьера Н не равна нулю, с точки зрения классической физики невозможно. С точки зрения квантовой механики такое деление возможно в результате прохождения осколков через потенциальный барьер и носит название спонтанного деления . Вероятность спонтанного деления растет с увеличением параметра делимости , т.е. с уменьшением высоты барьера деления.

Вынужденное деление ядер с может быть вызвано любыми частицами: фотонами, нейтронами, протонами, дейтронами, α-частицами и т.д., если энергия, которую они вносят в ядро, достаточна для преодоления барьера деления.

Массы осколков, образующихся при делении тепловыми нейтронами, не равны. Ядро стремится разделиться таким образом, чтобы основная часть нуклонов осколка образовала устойчивый магический остов. На рис. 9.5 приведено распределение по массам при делении . Наиболее вероятная комбинация массовых чисел - 95 и 139.

Отношение числа нейтронов к числу протонов в ядре равно 1,55, в то время как у стабильных элементов, имеющих массу, близкую к массе осколков деления, это отношение 1,25 - 1,45. Следовательно, осколки деления сильно перегружены нейтронами и неустойчивы к β-распаду - радиоактивны.

В результате деления высвобождается энергия ~ 200 МэВ. Около 80 % ее приходится на энергию осколков. За один акт деления образуется более двух нейтронов деления со средней энергией ~ 2 МэВ.

В 1 г любого вещества содержится . Деление 1 г урана сопровождается выделением ~ 9×10 10 Дж. Это почти в 3 млн раз превосходит энергию сжигания 1 г угля (2,9×10 4 Дж). Конечно, 1 г урана обходится значительно дороже 1 г угля, ностоимость 1 Дж энергии, полученной сжиганием угля, оказывается в 400 раз выше, чем в случае уранового топлива. Выработка 1 кВт×ч энергии обходилась в 1,7 цента на электростанциях, работающих на угле, и в 1,05 цента на ядерных электростанциях.

Благодаря цепной реакции процесс деления ядер можно сделать самоподдерживающимся . При каждом делении вылетают 2 или 3 нейтрона (рис. 9.6). Если одному из этих нейтронов удастся вызвать деление другого ядра урана, то процесс будет самоподдерживающимся.

Совокупность делящегося вещества, удовлетворяющая этому требованию, называется критической сборкой . Первая такая сборка, названная ядерным реактором , была построена в 1942 г. под руководством Энрико Ферми на территории Чикагского университета. Первый ядерный реактор был запущен в 1946 г. под руководством И. Курчатова в Москве. Первая атомная электростанция мощностью 5 МВт была пущена в СССР в 1954 г. в г. Обнинске (рис. 9.7).

Массу и можно также сделать надкритической . В этом случае возникающие при делении нейтроны будут вызывать несколько вторичных делений. Поскольку нейтроны движутся со скоростями, превышающими 10 8 см/с, надкритическая сборка может полностью прореагировать (или разлететься) быстрее, чем за тысячную долю секунды. Такое устройство называется атомной бомбой . Ядерный заряд из плутония или урана переводят в надкритическое состояние обычно с помощью взрыва. Подкритическую массу окружают химической взрывчаткой. При ее взрыве плутониевая или урановая масса подвергается мгновенному сжатию. Поскольку плотность сферы при этом значительно возрастает, скорость поглощения нейтронов оказывается выше скорости потери нейтронов за счет их вылета наружу. В этом и заключается условие надкритичности.

На рис. 9.8 изображена схема атомной бомбы «Малыш», сброшенной на Хиросиму. Ядерной взрывчаткой в бомбе служил , разделенный на две части, масса которых была меньше критической. Необходимая для взрыва критическая масса создавалась в результате соединения обеих частей «методом пушки» с помощью обычной взрывчатки.

При взрыве 1 т тринитротолуола (ТНТ) высвобождается 10 9 кал, или 4×10 9 Дж. При взрыве атомной бомбы, расходующей 1 кг плутония , высвобождается около 8×10 13 Дж энергии.

Или это почти в 20 000 раз больше, чем при взрыве 1 т ТНТ. Такая бомба называется 20-килотонной бомбой. Современные бомбы мощностью в мегатонны в миллионы раз мощнее обычной ТНТ-взрывчатки.

Производство плутония основано на облучении 238 U нейтронами, ведущем к образованию изотопа 239 U, который в результате бета-распада превращается в 239 Np, а затем после еще одного бета-распада в 239 Рu. При поглощении нейтрона с малой энергией оба изотопа 235 U и 239 Рu испытывают деление. Продукты деления характеризуются более сильной связью (~ 1 МэВ на нуклон), благодаря чему в результате деления высвобождается примерно 200 МэВ энергии.

Каждый грамм израсходованного плутония или урана порождает почти грамм радиоактивных продуктов деления, обладающих огромной радиоактивностью.

Для просмотра демонстраций щелкните по соответствующей гиперссылке: