Поділ ядра

Схематичне зображення поділу ядра ²³⁵U при поглинанні нейтрона

Поділ ядра - ядерна реакція, при якій ядро важкого елементу розпадається на менші ядра, часто виділяючи при цьому гамма-кванти й вільні нейтрони.

Поділ ядра - екзотермічна реакція. Виділене при поділі тепло набагато перевищує характерні енергії хімічних реакцій. Тому поділ використовується в ядерній енергетиці, а також у військовій справі для створення атомних бомб.

Поділ слід відрізняти від реакцій радіоактивного розпаду, при яких виділяються гамма-кванти, альфа- і бета-частинки, а маса ядра та його атомний номер змінюються незначно, або зовсім не змінюються. При поділі первинне ядро розпадається на великі шматки і як наслідок виникають відносно важкі ядра із середини періодичної таблиці.

Причина розпаду ядер

Ядер, які мають здатність розпадатися, небагато. Найвідоміші з них - ²³⁵U і ²³⁹Pu. Це - важкі ядра із великою кількістю протонів. Позитивно заряджені протони відштовшуються один від одного за законом Кулона, і на характерних віддалях для ядра порядку 1 фемтометра це відштовхування дуже сильне. Однак протони утримуються у складі ядра завдяки сильній взаємодії між собою й нейтронами. Проте сильна взаємодія має властивість насичення: один нуклон не може одночасно взаємодіяти з усіма іншими, а кулонівське відштовхування такого обмеження не має. Як результат, стабільність ядра падає разом з ростом числа протонів у ньому. Середня енергія зв'язку між нуклонами зменшується у порівнянні з ядрами атомів зі середини періодичної таблиці Мендєлєєва. Це явище носить назву дефекту маси.

Таким чином, створюється ситуація, коли та ж сама кількість нуклонів мала б у сукупності меншу енергію, якби вони були згруповані у два ядра зі середньою масою, а не в одне важке. Інакше кажучи, стан важкого ядра є збудженим квантовим станом. Збуджені стани не можуть існувати довго, й рано чи пізно відбувається ядерна реакція, коли ядро переходить у стабільніше. Є кілька каналів таких реакції: бета-розпад, альфа-розпад і поділ. Лише у нечисленних ядер поділ має найбільшу ймовірність.

Протікання реакції

Розподіл продуктів поділу ²³⁵U за масою

Спонтанний, тобто мимовільний, нічим не зумовлений поділ ядра - малоймовірна подія. Час життя ²³⁵U складає 700 тис. років. ²³⁹Pu має час життя всього 24 тис. років, але для нього найімовірнішим каналом розпаду є альфа-розпад. Набагато частіше поділ відбувається під час зіткнення із якоюсь іншою частинкою, наприклад, нейтроном.

При поглинанні нейтрона ядро починає сильно деформуватися, витягатися, тоншати по центру, утворюючи тонку шийку посередині з двома кулями на кінцях ("гантелю"), а потім дві кулі, які стають ядрами легших елементів, розлітаються з величезною швидкістю у різні боки. Часто при цьому в різні боки летять також інші осколки й друзки: альфа-частинки, нейтрони, гамма-кванти.

Продукти поділу наперед визначити неможливо. З більшою або меншою ймовірністю утворюються різні атоми з середини періодичної таблиці. Багато з них є радіоактивними. З часом радіоактивні продукти реакції розпадаються, доволі часто проходить низка розпадів, перш ніж утвориться стабільне ядро. При приблизно рівному поділі утворюються два ядра з масами близько 115 а.о.м.. Найсприятливіший нерівний поділ, при якому одне з ядер має масу близько 90 а.о.м., а інше — близько 140 а.о.м. Діаграма розподілу продуктів розпаду за масою показана на рисунку праворуч.

При розпаді ядра урану на два ядра виділяється енергія ~200 МеВ. З цієї енергії більша частина припадає на кінетичну енергію дочірніх ядер, що розлітаються зі швидкістю, яка складає 3% від швидкості світла. Вилітають з ядра також 2-3 нейтрони з енергією біля 2 МеВ кожен.

Ланцюгова реакція

Схематичне зображення ланцюгової реакції

При поділі ядер виділяються нейтрони. Їхня кількість залежить від конкретного сценарію поділу. Зазвичай виділяються 2-3 нейтрони. Ці нейтрони можуть захопитися іншими, ще неподіленими ядрами, й викликати їхній поділ, при якому знову ж таки виділяються нові нейтрони. Така реакція називається ланцюговою. Ланцюгова реакція характеризується коефіцієнтом розмноження нейтронів. Він залежить не тільки від кількості нейтронів, що виділяються при кожному акті поділу, а й від втрат нейтронів: частина нейтронів вилітає за межі області, де відбувається реакція і знаходяться здатні до поділу ядра, інша ж частина поглинається ядрами інших (стабільних)хімічних елементів і не викликає реакцій поділу. Якщо коефіцієнт розмноження більший за одиницю, виникає вибух. Такий сценарій використовується у атомних бомбах. Якщо коефіцієнт розмноження строго дорівнює одиниці, то реакція протікає стабільно. Такий сценарій використовується у ядерних реакторах.

Ймовірність поглинання нейтрона ядром залежить від енергії нейтрона. Для ²³⁵U ймовірність збільшується при зменшенні швидкості нейтронів. Тому у ядерних реакторах використовуються сповільнювачі нейтронів. Оскільки найважливішими для реакції поділу є теплові нейтрони, то коефіцієнт розмноження нейтронів залежить від температури у ядерному реакторі. Для управління реакцією у реактор вводять (або виводять) речовини, здатні поглинати нейтрони, таким чином зменшуючи (або збільшуючи) їхній потік.

Історія відкриття

Поділ ядра урану був відкритий у 1934 р. Отто Ганом .

За це відкриття він отримав Нобелівську премію з хімії у 1944 р. Опромінюючи уран нейтронами, Ган несподівано виявив, що одним із продуктів поділу є набагато легший барій. Правильну інтерпретацію цьому дивному явищу дали тільки за кілька років, і результат було опубліковано у 1939-му. На той час висновок про поділ ядра вже знайшов підтвердження у експерименті Отто Фріша та Лізи Мейтнер .

Фредерік Жоліо-Кюрі зі співробітниками встановили, що при поділі урану виділяються нейтрони, що відкрило перспективи проведення ланцюгової реакції. Таким чином, відкривався шлях до використання ядерної енергії. Це відкриття змінило хід історії, дало нове потужне джерело енергії, призвело до появи ядерної зброї, до гонки озброєнь і, загалом, до відносного миру у світі упродовж другої половини 20-го століття.

Дивіться також

• Ядерний синтез

Джерела

• Булавін Л.А., Тартаковський В.К. Ядерна фізика. — Київ : Знання, 2005.

• Фрауэнфельдер Г., Хенли Э. Субатомная физика. — Москва : Мир, 1979.