Поділ ядра

Матеріал з Вікіпедії — вільної енциклопедії.
Перейти до: навігація, пошук
Схематичне зображення поділу ядра 235U при поглинанні нейтрона

По́діл ядра́ — 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[ред.ред. код]

Ядер, які мають здатність розпадатися, небагато. Найвідоміші з них — 235U і 239Pu. Це — важкі ядра із великою кількістю протонів. Позитивно заряджені протони відштовхуються 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.

Перебіг реакції[ред.ред. код]

Kernspaltung.gif
Розподіл продуктів поділу 235U за масою

Спонтанний, тобто мимовільний, нічим не зумовлений поділ ядра — малоймовірна подія. Час життя 235U становить близько 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, утворюючи тонку шийку 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 «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 відбувається низка розпадів, перш ніж утворюються стабільні ядра. 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.

Внаслідок розпаду ядра урану виділяється енергія ~200 МеВ. З цієї енергії частина припадає на кінетичну енергію дочірніх ядер, що розлітаються зі швидкістю, яка становить 3% від швидкості світла. Внаслідок поділу зазвичай випромінюється кілька нейтронів з енергією близько 2 МеВ кожен (у середньому — 2,47 нейтрона за один поділ).

Ланцюгова реакція[ред.ред. код]

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.

Нукліди що діляться[ред.ред. код]

Ілюстрація на тему розпаду урану-235.

Як випливає з теорії складеного ядра, мінімальне значення енергії складеного ядра ~ E ^* дорівнює енергії зв'язку нейтрона в цьому ядрі ~ \ \varepsilon_n, яка суттєво залежить від парності числа нейтронів в ядрі: енергія зв'язку парного нейтрона набагато більше енергії зв'язку непарного при приблизно рівних масових числах ядра. Порівняємо значення бар'єру поділу для важких ядер та енергії зв'язку нейтрона в важких ядрах (найбільш важливих з практичної точки зору) :

Ядро ~W_f, МеВ Ядро ~ \ \varepsilon_n, МеВ
232Th 5,9 233Th 4,79
233U 5,5 234U 6,84
235U 5,75 236U 6,55
238U 5,85 239U 4,80
239Pu 5,5 240Pu 6,53

Слід зазначити, що в таблиці для енергії зв'язку наведені ядра, що утворюються шляхом приєднання нейтрона до ядер з таблиці для порога розподілу, однак величина бар'єра поділу слабо залежить від масового числа та складу ядра, тому таке якісне порівняння допустимо.

Порівняння величин з цих таблиць показує що для різних ядер:

  • ~ E ^ * > \ \varepsilon_n, це означає, що розподіл можливо нейтронами з будь як завгодно малої кінетичною енергією. До цієї групи відносяться ядра з непарним числом нейтронів (приєднується нейтрон — парний) : 233U, 235U, 239Pu, які прийнято називати подільними ядрами ;
  • ~ E ^ * < \ \varepsilon_n, це означає, що розподіл можливе лише нейтронами з кінетичною енергією, що перевищує якесь порогове значення. До цієї групи відносяться ядра з парним числом нейтронів (приєднується нейтрон — непарний) : 232Th, 238U, які називають пороговими . Значення порогових енергій приблизно рівні 1,2 МеВ для 232Th і 1 МеВ для 238U.

Для інших, не зазначених в таблиці, ядер ситуація аналогічна — ядра з непарним числом нейтронів - подільні, з парним — порогові. Порогові ядра не можуть служити основою ланцюгової ядерної реакції поділу.

З п'яти розглянутих вище ядер тільки три є в природі: 232Th, 235U, 238U. Природний уран містить приблизно 99,3 % 238U і лише 0,7 % 235U. Інші діляться ядра, 233U та 239Pu, можуть бути отримані штучним шляхом. Практичні способи їх отримання засновані на використанні порогових ядер 232Th та 238U за такими схемами:

{}^{232}_{90}\ \textrm{Th} + {}^{1}_{0}\ \textrm{n} \ \xrightarrow {}^{233}_{90}\ \textrm{Th} \ \xrightarrow[22min]{\ \beta^-} {}^{233}_{91}\ \textrm{Pa} \ \xrightarrow[27,4days]{\ \beta^-} {}^{233}_{92}\ \textrm{U} \ \xrightarrow[1,6\ \cdot 10^5 years]{\ \alpha}

{}^{238}_{92}\ \textrm{U} + {}^{1}_{0}\ \textrm{n} \ \xrightarrow {}^{239}_{92}\ \textrm{U} \ \xrightarrow[23,5min]{\ \beta^-} {}^{239}_{93}\ \textrm{Np} \ \xrightarrow[2,3days]{\ \beta^-} {}^{239}_{94}\ \textrm{Pu}  \ \xrightarrow[2,4\ \cdot 10^4 years]{\ \alpha}

В обох випадках процес радіаційного захоплення призводить до утворення радіоактивних ядер. Після двох послідовних β--розпадів утворюються подільні нукліди. Проміжні ядра мають достатньо малі періоди напіврозпаду, що дозволяє використовувати ці способи на практиці. Утворені поділені ядра також радіоактивні, але їх періоди напіврозпаду настільки великі, що ядра можна розглядати як стабільні при використанні в ядерних реакторах.

У зв'язку з можливістю отримання ядер що діляться з порогових, що трапляються в природі, 232Th та 238U, останні прийнято називати відтворюючі. Сучасні знання про нукліда дозволяють припускати, що майбутнє ядерної енергетики пов'язано саме з перетворенням відтворюючих матеріалів в подільні[1][2].

238U[ред.ред. код]

Найпоширеніший ізотоп урану 238U теж, як і 235U, здатний до поділу, однак поділ у ньому відбувається при зіткненні з нейтроном з енергією понад 1 МеВ. Нейтрони, які виділяються при такому поділі здебільшого мають меншу енергію, тому поділ 238U не викликає ланцюгової реакції. При зіткненнях 238U з повільними нейтронами, він поглинає їх, і стає 239U, який через бета-розпад перетворюється в 239Np, а потім у 239Pu. Таким чином виробляється Плутоній у реакторах на швидких нейтронах, зокрема в розмножувачах. Загалом, і в реакторах на теплових нейтронах 239Pu накопичується упродовж паливного циклу, і його розпад дає значний внесок у вироблення енергії, аж до половини загальної виділеної енергії.

При наявності зовнішнього джерела швидких нейтронів поділ 238U можна використати для отримання додаткової енергії. Зокрема 238U обкладають термоядерний заряд у деяких конструкціях термоядерної бомби, де потрібні нейтрони народжуються як наслідок реакції ядерного синтезу.

Торієвий цикл[ред.ред. код]

Докладніше: Торієвий цикл

Ще одним здатним до поділу ізотопом є 233U. Його можна отримати при опроміненні нейтронами 232Th. У Торію є також здатний до поділу ізотоп 231Th, але його дуже мало. Реакція отримання 233U відбувається за схемою

\mathrm{n}+{}_{\ 90}^{232}\mathrm{Th}\rightarrow {}_{\ 90}^{233} \mathrm{Th} \xrightarrow{\beta^-} {}_{\ 91}^{233}\mathrm{Pa} \xrightarrow{\beta^-} {}_{\ 92}^{233}\mathrm{U}.

Торію в природі більше, ніж урану, але для його використання потрібний початковий потік нейтронів, тобто потрібно використовувати або уран або плутоній для запалювання реакції. Крім 233U при опроміненні торію нейтронами утворюється також гамма-радіоактивний 232U.

Історія відкриття[ред.ред. код]

Поділ ядра урану був відкритий у 1934 р. Отто Ганом [3].

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 [4].

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[ред.ред. код]

Джерела[ред.ред. код]

Примітки[ред.ред. код]

  1. Бать та ін., 1982
  2. Климов, 1985
  3. O. Hahn and F. Strassmann. Über den Nachweis und das Verhalten der bei der Bestrahlung des Urans mittels Neutronen entstehenden Erdalkalimetalle, Naturwissenschaften Volume 27, Number 1, 11-15 (1939)..
  4. Lise Meitner and O. R. Frisch. «Disintegration of Uranium by Neutrons: a New Type of Nuclear Reaction», Nature, Volume 143, Number 3615, 239—240