Деление ядра урана. Цепная реакция. Описание процесса. Расщепление уранаДеление ядра урана. Цепная реакция. Описание процессаДеление ядра – это расщепление тяжелого атома на два фрагмента примерно равной массы, сопровождаемое выделением большого количества энергии. Открытие ядерного деления начало новую эру – «атомный век». Потенциал возможного его использования и соотношение риска к пользе от его применения не только породили множество социологических, политических, экономических и научных достижений, но также и серьезные проблемы. Даже с чисто научной точки зрения процесс ядерного деления создал большое число головоломок и осложнений, и полное теоретическое его объяснение является делом будущего. Делиться – выгодноЭнергии связи (на нуклон) у разных ядер различаются. Более тяжелые обладают меньшей энергией связи, чем расположенные в середине периодической таблицы. Это означает, что тяжелым ядрам, у которых атомное число больше 100, выгодно делиться на два меньших фрагмента, тем самым высвобождая энергию, которая превращается в кинетическую энергию осколков. Этот процесс называется расщеплением атомного ядра. В соответствии с кривой стабильности, которая показывает зависимость числа протонов от числа нейтронов для стабильных нуклидов, более тяжелые ядра предпочитают большее число нейтронов (по сравнению с количеством протонов), чем более легкие. Это говорит о том, что наряду с процессом расщепления будут испускаться некоторые «запасные» нейтроны. Кроме того, они будут также принимать на себя часть выделяющейся энергии. Изучение деления ядра атома урана показало, что при этом выделяется 3–4 нейтрона: 238U → 145La + 90Br + 3n. Атомное число (и атомная масса) осколка не равна половине атомной массы родителя. Разница между массами атомов, образовавшихся в результате расщепления, обычно составляет около 50. Правда, причина этого еще не совсем понятна. Энергии связи 238U, 145La и 90Br равны 1803, 1198 и 763 МэВ соответственно. Это означает, что в результате данной реакции высвобождается энергия деления ядра урана, равная 1198 + 763-1803 = 158 МэВ.
Самопроизвольное делениеПроцессы спонтанного расщепления известны в природе, но они очень редки. Среднее время жизни указанного процесса составляет около 1017 лет, а, например, среднее время жизни альфа-распада того же радионуклида составляет около 1011 лет. Причина этого заключается в том, что для того, чтобы разделиться на две части, ядро должно сначала подвергнуться деформации (растянуться) в эллипсоидальную форму, а затем, перед окончательным расщеплением на два фрагмента, образовать «горлышко» посредине.
Потенциальный барьерВ деформированном состоянии на ядро действуют две силы. Одна из них – возросшая поверхностная энергия (поверхностное натяжение капли жидкости объясняет ее сферическую форму), а другая – кулоновское отталкивание между осколками деления. Вместе они производят потенциальный барьер. Как и в случае альфа-распада, чтобы произошло спонтанное деление ядра атома урана, фрагменты должны преодолеть этот барьер с помощью квантового туннелирования. Величина барьера составляет около 6 МэВ, как и в случае с альфа-распадом, но вероятность туннелирования α-частицы значительно больше, чем гораздо более тяжелого продукта расщепления атома.
Вынужденное расщеплениеГораздо более вероятным является индуцированное деление ядра урана. В этом случае материнское ядро облучается нейтронами. Если родитель его поглощает, то они связываются, высвобождая энергию связи в виде колебательной энергии, которая может превысить 6 МэВ, необходимых для преодоления потенциального барьера. Там, где энергии дополнительного нейтрона недостаточно для преодоления потенциального барьера, падающий нейтрон должен обладать минимальной кинетической энергией для того, чтобы иметь возможность индуцировать расщепление атома. В случае 238U энергии связи дополнительных нейтронов не хватает около 1 МэВ. Это означает, что деление ядра урана индуцируется только нейтроном с кинетической энергией больше 1 МэВ. С другой стороны, изотоп 235U имеет один непарный нейтрон. Когда ядро поглощает дополнительный, он образует с ним пару, и в результате этого спаривания появляется дополнительная энергия связи. Этого достаточно для освобождения количества энергии, необходимого для того, чтобы ядро преодолело потенциальный барьер и деление изотопа происходило при столкновении с любым нейтроном.
Бета-распадНесмотря на то что при реакции деления испускаются три или четыре нейтрона, осколки по-прежнему содержат больше нейтронов, чем их стабильные изобары. Это означает, что фрагменты расщепления, как правило, неустойчивы по отношению к бета-распаду. Например, когда происходит деление ядра урана 238U, стабильным изобаром с А = 145 является неодим 145Nd, что означает, что фрагмент лантан 145La распадается в три этапа, каждый раз излучая электрон и антинейтрино, пока не будет образован стабильный нуклид. Стабильным изобаром с A = 90 является цирконий 90Zr, поэтому осколок расщепления бром 90Br распадается в пять этапов цепи β-распада. Эти цепи β-распада выделяют дополнительную энергию, которая почти вся уносится электронами и антинейтрино.
Ядерные реакции: деление ядер уранаПрямое излучение нейтрона из нуклида со слишком большим их количеством для обеспечения стабильности ядра маловероятно. Здесь дело заключается в том, что нет кулоновского отталкивания, и поэтому поверхностная энергия имеет тенденцию к удержанию нейтрона в связи с родителем. Тем не менее это иногда происходит. Например, фрагмент деления 90Br в первой стадии бета-распада производит криптон-90, который может быть находиться в возбужденном состоянии с достаточной энергией, чтобы преодолеть поверхностную энергию. В этом случае излучение нейтронов может происходить непосредственно с образованием криптона-89. Этот изобар по-прежнему неустойчив по отношению к β-распаду, пока не перейдет в стабильный иттрий-89, так что криптон-89 распадается в три этапа.
Деление ядер урана: цепная реакцияНейтроны, испускаемые в реакции расщепления, могут быть поглощены другим ядром-родителем, которое затем само подвергается индуцированному делению. В случае урана-238 три нейтрона, которые возникают, выходят с энергией менее 1 МэВ (энергия, выделяющаяся при делении ядра урана – 158 МэВ – в основном переходит в кинетическую энергию осколков расщепления), поэтому они не могут вызвать дальнейшее деление этого нуклида. Тем не менее при значительной концентрации редкого изотопа 235U эти свободные нейтроны могут быть захвачены ядрами 235U, что действительно может вызвать расщепление, так как в этом случае отсутствует энергетический порог, ниже которого деление не индуцируется. Таков принцип цепной реакции.
Типы ядерных реакцийПусть k – число нейтронов, произведенное в образце делящегося материала на стадии n этой цепи, поделенное на число нейтронов, образованных на стадии n - 1. Это число будет зависеть от того, сколько нейтронов, полученных на стадии n - 1, поглощаются ядром, которое может подвергнуться вынужденному делению. • Если k < 1, то цепная реакция просто выдохнется и процесс остановится очень быстро. Именно это и происходит в природной урановой руде, в которой концентрация 235U настолько мала, что вероятность поглощения одного из нейтронов этим изотопом крайне ничтожна. • Если k > 1, то цепная реакция будет расти до тех пор, пока весь делящийся материал не будет использован (атомная бомба). Это достигается путем обогащения природной руды до получения достаточно большой концентрации урана-235. Для сферического образца величина k увеличивается с ростом вероятности поглощения нейтронов, которая зависит от радиуса сферы. Поэтому масса U должна превышать некоторую критическую массу, чтобы деление ядер урана (цепная реакция) могло происходить. • Если k = 1, то имеет место управляемая реакция. Это используется в ядерных реакторах. Процесс контролируется распределением среди урана стержней из кадмия или бора, которые поглощают большую часть нейтронов (эти элементы обладают способностью захватывать нейтроны). Деление ядра урана контролируется автоматически путем перемещения стержней таким образом, чтобы величина k оставалась равной единице. fb.ru процесс расщепления атомного ядра. Ядерные реакцииСтатья рассказывает о том, что такое деление ядер, как этот процесс был открыт и описан. Раскрывается его применение в качестве источника энергии и ядерного оружия. «Неделимый» атомДвадцать первый век изобилует такими выражениями, как «энергия атома», «ядерные технологии», «радиоактивные отходы». То и дело в газетных заголовках мелькают сообщения о возможности радиоактивного загрязнения почвы, океанов, льдов Антарктики. Однако обыкновенный человек часто не очень хорошо себе представляет, что это за область науки и как она помогает в повседневной жизни. Начать стоит, пожалуй, с истории. С самого первого вопроса, который задавал сытый и одетый человек, его интересовало, как устроен мир. Как видит глаз, почему слышит ухо, чем вода отличается от камня – вот что исстари волновало мудрецов. Еще в древней Индии и Греции некоторые пытливые умы предположили, что существует минимальная частица (её еще называли «неделимой»), обладающая свойствами материала. Средневековые химики подтвердили догадку мудрецов, и современное определение атома следующее: атом – это наименьшая частица вещества, которая является носителем его свойств.
Части атомаОднако развитие технологии (в частности, фотографии) привело к тому, что атом перестал считаться наименьшей возможной частицей вещества. И хотя отдельно взятый атом электронейтрален, ученые достаточно быстро поняли: он состоит из двух частей с разными зарядами. Количество положительно заряженных частей компенсирует количество отрицательных, таким образом, атом остается нейтральным. Но однозначной модели атома не существовало. Так как в тот период все еще господствовала классическая физика, то высказывались различные предположения. Модели атомаПоначалу была предложена модель «булка с изюмом». Положительный заряд как бы заполнял собой все пространство атома, и в нем, как изюм в булке, распределялись отрицательные заряды. Знаменитый опыт Резерфорда определил следующее: в центре атома расположен очень тяжелый элемент с положительным зарядом (ядро), а вокруг располагаются значительно более легкие электроны. Масса ядра в сотни раз тяжелее суммы всех электронов (оно составляет 99,9 процентов от массы всего атома). Таким образом, родилась планетарная модель атома Бора. Однако некоторые из её элементов противоречили принятой на тот момент классической физике. Поэтому была разработана новая, квантовая механика. С ее появлением начался неклассический период науки.
Атом и радиоактивностьИз всего сказанного выше становится понятно, что ядро – это тяжелая, положительно заряженная часть атома, которая составляет его основную массу. Когда квантование энергии и положений электронов на орбите атома были хорошо изучены, пришло время понять природу атомного ядра. На помощь пришла гениальная и неожиданно открытая радиоактивность. Она помогла раскрыть сущность тяжелой центральной части атома, так как источник радиоактивности – деление ядер. На рубеже девятнадцатого и двадцатого столетия, открытия сыпались одно за другим. Теоретическое решение одной задачи вызывало необходимость ставить новые опыты. Результаты экспериментов порождали теории и гипотезы, которые требовалось подтвердить или опровергнуть. Зачастую величайшие открытия появлялись просто потому, что именно таким образом формула становилась удобной для вычислений (как, например, квант Макса Планка). Еще в начале эры фотографии ученые знали: урановые соли засвечивают светочувствительную пленку, но они не подозревали, что в основе этого явления лежит деление ядер. Поэтому радиоактивность изучали, чтобы понять природу распада ядра. Очевидно, что излучение порождались квантовыми переходами, но было не до конца ясно, какими именно. Чета Кюри добывала чистые радий и полоний, обрабатывая практически вручную урановую руду, чтобы получить ответ на этот вопрос.
Заряд радиоактивного излученияРезерфорд много сделал для изучения строения атома и внес вклад и в исследование того, как происходит деление ядра атома. Ученый поместил излучение, выделяющееся радиоактивным элементом, в магнитное поле и получил потрясающий результат. Оказалось, что радиация состоит из трех компонентов: одна была нейтральной, а две другие – положительно и отрицательно заряженными. Изучение деления ядра началось с определения его составляющих. Было доказано, что ядро может делиться, отдавать часть своего положительного заряда. Строение ядраПозже выяснилось, что атомное ядро состоит не только из положительно заряженных частиц протонов, но и нейтральных частиц нейтронов. Все вместе они называются нуклонами (от английского «nucleus», ядро). Однако, ученые вновь натолкнулись на проблему: масса ядра (то есть количество нуклонов) не всегда соответствовала его заряду. У водорода ядро имеет заряд +1, а масса может быть и три, и два, и один. У следующего за ним в периодической таблице гелия заряд ядра +2, при этом его ядро содержит от 4 до 6 нуклонов. Более сложные элементы могут иметь гораздо большее количество разных масс при одном и том же заряде. Такие вариации атомов называются изотопами. Причем некоторые изотопы оказались вполне устойчивыми, другие же быстро распадались, так как для них было характерно деление ядер. Какому принципу отвечало количество нуклонов устойчивости ядер? Почему добавление всего лишь одного нейтрона к тяжелому и вполне стабильному ядру приводило к его расколу, к выделению радиоактивности? Как ни странно, ответ на этот важный вопрос до сих пор не найден. Опытным путем выяснилось, что определенным количествам протонов и нейтронов соответствуют устойчивые конфигурации атомных ядер. Если в ядре 2, 4, 8, 50 нейтронов и/или протонов, то ядро однозначно будет устойчивым. Эти числа даже называют магическими (и назвали их так взрослые ученые, ядерные физики). Таким образом, деление ядер зависит от их массы, то есть от количества входящих в них нуклонов.
Капля, оболочка, кристаллОпределить фактор, который отвечает за устойчивость ядра, на данный момент не удалось. Существует множество теорий модели строения атома. Три самые знаменитые и разработанные зачастую противоречат друг другу в разных вопросах. Согласно первой, ядро – это капля специальной ядерной жидкости. Как и для воды, для него характерны текучесть, поверхностное натяжение, слияние и распад. В оболочечной модели в ядре тоже существуют некие уровни энергии, которые заполняются нуклонами. Третья утверждает, что ядро – среда, которая способна преломлять особые волны (дебройлевские), при этом коэффициент преломления – это потенциальная энергия. Однако ни одна модель пока не смогла в полной мере описать, почему при определенной критической массе именно этого химического элемента, начинается расщепление ядра.
Каким бывает распадРадиоактивность, как уже было сказано выше, была обнаружена в веществах, которые можно найти в природе: уране, полонии, радии. Например, только что добытый, чистый уран радиоактивен. Процесс расщепления в данном случае будет спонтанным. Без каких-либо внешних воздействий определенное количество атомов урана испустит альфа-частицы, самопроизвольно преобразуясь в торий. Есть показатель, который называется периодом полураспада. Он показывает, за какой промежуток времени от начального числа части останется примерно половина. Для каждого радиоактивного элемента период полураспада свой – от долей секунды для калифорния до сотен тысяч лет для урана и цезия. Но существует и вынужденная радиоактивность. Если ядра атомов бомбардировать протонами или альфа-частицами (ядрами гелия) с высокой кинетической энергией, то они могут «расколоться». Механизм превращения, конечно, отличается от того, как разбивается любимая мамина ваза. Однако некая аналогия прослеживается.
Энергия атомаПока что мы не ответили на вопрос практического характера: откуда при делении ядра берется энергия. Для начала надо пояснить, что при образовании ядра действуют особые ядерные силы, которые называются сильным взаимодействием. Так как ядро состоит из множества положительных протонов, остается вопрос, как они держатся вместе, ведь электростатические силы должны достаточно сильно отталкивать их друг от друга. Ответ одновременно и прост, и нет: ядро держится за счет очень быстрого обмена между нуклонами особыми частицами – пи-мезонами. Эта связь живет невероятно мало. Как только прекращается обмен пи-мезонами, ядро распадается. Также точно известно, что масса ядра меньше суммы всех составляющих его нуклонов. Этот феномен получил название дефекта масс. Фактически недостающая масса – это энергия, которая затрачивается на поддержание целостности ядра. Как только от ядра атома отделяется какая-то часть, эта энергия выделяется и на атомных электростанциях преобразуется в тепло. То есть энергия деления ядра – это наглядная демонстрация знаменитой формулы Эйнштейна. Напомним, формула гласит: энергия и масса могут превращаться друг в друга (E=mc2). Теория и практикаТеперь расскажем, как это сугубо теоретическое открытие используется в жизни для получения гигаватт электроэнергии. Во-первых, необходимо отметить, что в управляемых реакциях используется вынужденное деление ядер. Чаще всего это уран или полоний, которые бомбардируется быстрыми нейтронами. Во-вторых, нельзя не понимать, что деление ядер сопровождается созданием новых нейтронов. В результате количество нейтронов в зоне реакции способно нарастать очень быстро. Каждый нейтрон сталкивается с новыми, еще целыми ядрами, расщепляет их, что приводит к росту выделения тепла. Это и есть цепная реакция деления ядер. Неконтролируемый рост количества нейтронов в реакторе способен привести к взрыву. Именно это и произошло в 1986 году на Чернобыльской АЭС. Поэтому в зоне реакции всегда присутствует вещество, которое поглощает лишние нейтроны, предотвращая катастрофу. Это графит в форме длинных стержней. Скорость деления ядер можно замедлить, погружая стрежни в зону реакции. Уравнение ядерной реакции составляется конкретно для каждого действующего радиоактивного вещества и бомбардирующих его частиц (электроны, протоны, альфа-частицы). Однако конечный выход энергии подсчитывается согласно закону сохранения: Е1+Е2=Е3+Е4. То есть полная энергия исходного ядра и частицы (Е1+Е2) должно быть равным энергии получившегося ядра и выделившейся в свободном виде энергии (Е3+Е4). Уравнение ядерной реакции также показывает, какое вещество получается в результате распада. Например, для урана U=Th+He, U=Pb+Ne, U=Hg+Mg. Здесь не приведены изотопы химических элементов, однако это важно. Например, существует целых три возможности деления урана, при которых образуются различные изотопы свинца и неона. Почти в ста процентах случаев реакция деления ядра дает радиоактивные изотопы. То есть при распаде урана получается радиоактивный торий. Торий способен распасться до протактиния, тот – до актиния, и так далее. Радиоактивными в этом ряду могут быть и висмут, и титан. Даже водород, содержащий в ядре два протона (при норме один протон), называется иначе – дейтерий. Вода, образованная с таким водородом, называется тяжелой и заполняет первый контур в ядерных реакторах. Немирный атомТакие выражения, как «гонка вооружений», «холодная война», «ядерная угроза» современному человеку могут показаться историческими и неактуальными. Но когда-то каждый выпуск новостей почти по всему миру сопровождался репортажами о том, сколько изобретено видов ядерного оружия и как надо с этим бороться. Люди строили подземные бункеры и делали запасы на случай ядерной зимы. Целые семьи работали на создание убежища. Даже мирное использование реакций деления ядер может привести к катастрофе. Казалось бы, Чернобыль научил человечество аккуратности в этой сфере, но стихия планеты оказалась сильнее: землетрясение в Японии повредило весьма надежные укрепления АЭС «Фукусима». Энергию ядерной реакции использовать для разрушения гораздо легче. Технологам необходимо лишь ограничить силу взрыва, чтобы не разрушить ненароком всю планету. Наиболее «гуманные» бомбы, если их можно так назвать, не загрязняют окрестности радиацией. В целом чаще всего они используют неконтролируемую цепную реакцию. То, чего на атомных электростанциях стремятся всеми силами избежать, в бомбах добиваются весьма примитивным способом. Для любого естественно радиоактивного элемента существует некоторая критическая масса чистого вещества, в котором цепная реакция зарождается сама собой. Для урана, например, это всего пятьдесят килограммов. Так как уран очень тяжелый, это лишь небольшой металлический шарик 12-15 сантиметров в диаметре. Первые атомные бомбы, сброшенные на Хиросиму и Нагасаки, были сделаны именно по такому принципу: две неравные части чистого урана просто соединялись и порождали ужасающий взрыв. Современное оружие, вероятно, более сложное. Однако про критическую массу не стоит забывать: между небольшими объемами чистого радиоактивного вещества при хранении должны быть преграды, не позволяющие соединиться частям.
Источники радиацииВсе элементы с зарядом атомного ядра больше 82 радиоактивны. Почти все более легкие химические элементы обладают радиоактивными изотопами. Чем тяжелее ядро, тем меньше его время жизни. Некоторые элементы (типа калифорния) можно добыть только искусственным путем – сталкивая тяжелые атомы с более легкими частицами, чаще всего на ускорителях. Так как они очень нестабильны, в земной коре их нет: при формировании планеты они очень быстро распались на другие элементы. Вещества с более легкими ядрами, например уран, вполне можно добывать. Процесс этот долгий, пригодного к добыче урана даже в очень богатых рудах содержится менее одного процента. Третий путь, пожалуй, указывает на то, что новая геологическая эпоха уже началась. Это добыча радиоактивных элементов из радиоактивных отходов. После отработки топлива на электростанции, на подлодке или авианосце, получается смесь исходного урана и конечного вещества, результата деления. На данный момент это считается твердыми радиоактивными отходами и стоит острый вопрос, как их захоранивать так, чтобы они не загрязнили окружающую среду. Однако есть вероятность, что в недалеком будущем уже готовые концентрированные радиоактивные вещества (к примеру, полоний), будут добывать из этих отходов. fb.ru Уран расщепление - Справочник химика 21Другая трудность заключалась в том, что не каждый атом урана, поглотивший нейтрон, претерпевает ядерное расщепление. Ядерному расщеплению подвергается довольно редкий изотоп — уран-235. Поэтому необходимо было разработать способы отделения и накопления данного изотопа. Это была беспрецедентная задача разделение изотопов в таких больших масштабах никогда ранее не проводилось. Исследования показали, что в этих целях можно использовать гексафторид урана, поэтому одновременно требовалось отрабатывать методику работы с соединениями фтора. После открытия плутония, который, как выяснилось, также подвергается ядерному расщеплению, было налажено производство его в больших количествах. [c.178] В процессе спонтанного деления происходит самопроизвольное расщепление ядер с 2>90 (торий, протактиний, уран и трансурановые элементы) на два ядра-осколка с примерно равными массами (М1 М2 2 3). Например [c.576]Большие достижения по синтезу и идентификации искусственных химических элементов были бы совершенно немыслимы- без знания периодического закона. Это касается как получения технеция, прометия и астата, так и синтеза трансурановых (следующих за ураном) элементов. Успех в развитии физики и химии трансурановых элементов, в создании основ теории расщепления ядер во многом обусловлен законом Д. И. Менделеева. [c.86] Использование энергии для производства тепловой или электрической энергии в техническом отношении означает применение новых видов топлив — ядерных горючих. Количество энергии, вьщеляющейся при расщеплении 1 кг ядерного горючего может быть условно названо их теплотой сгорания. Для урана эта величина равна 22,9 млн. кВт ч/кг. Во сколько раз уран эффективнее как горючее каменного угля с теплотой сгорания 27 500 кДж/кг [c.274] Определение циркония в уране и продуктах его расщепления [805]. Цирконий предварительно экстрагируют раствором ди-н-бутилфосфата в толуоле. Определению не мешают очень больших количествах урана (примерно 5 10 -кратные избытки по отношению к цирконию) его реэкстрагируют солянокислым раствором роданида аммония. [c.121] Таким образом, с 1896 г. внимание к самому урану упало, сконцентрировавшись на радии. Уран, получавшийся как побочный продукт, почти не находил себе применения. В 1939 г. была установлена возможность расщепления ядра урана с освобождением громадного количества энергии. С этого момента внимание вновь приковывается к урану как источнику атомной энергии. [c.347] В 1938 г. было доказано, что уран действительно расщепляется, давая элементы средней части периодической системы. Сумма масс этих осколков оказалась значительно меньше исходной массы урана, вследствие чего реакция сопровождалась выделением громадных количеств энергии. Подсчеты показывают, что при расщеплении одного грамм-атома урана освобождается в 50 млн. раз больше энергии, чем при сгорании одного грамм-атома угля. [c.373] Другой же изотоп урана с атомным весом 235, присутствующий в уране всего только в количестве 0,7%, расщепляется под действием нейтронов с выделением громадного количества энергии. Такому же расщеплению подвергается и ядро зауранового элемента 94 — известного под названием плутоний (Ри). [c.374] В результате работы реактора часть урана захватывает нейтроны, превращаясь в трансурановый элемент нептуний (Np, Л Ь 93), который быстро переходит путем р-распада в следующий элемент — плутоний (Ри, № 94). Плутоний оказался устойчивым в обычных условиях, но способным к расщеплению под действием нейтронов, подобно урану-235. [c.387] При изучении комплексообразования и (IV) с Р и 0Н авторы этой серии работ столкнулись с несколько неожиданным явлением. Оказалось, что первые порции ионов Р не уменьшают, а наоборот, увеличивают центрального иона. Лишь после присоединения первого лиганда дальнейший ход процесса сопровождается обычной экранировкой. Можно полагать, что в данном случае имеет место не столько влияние ковалентности связи и—Р, сколько существенное изменение времени т центрального иона в аксиальном поле. Кроме того, сомнительно, чтобы только первый ион Р был связан с ураном ковалентно. Исследование спектров поглощения растворов в присутствии различных количеств фтора показало интенсивный сдвиг всех полос в спектре в синюю область [133]. Это указывает на изменение величин орбитальных расщеплений в системе электронных уровней иона, а ведь Те как раз и определяется величиной расщепления АЕ. Действительно, Те (А ), х — степень, величина которой зависит от симметрии поля, для кубического иона ж = 6 [9]. [c.236] Не входя за недостатком фактических данных в обсуждение степени достоверности и ценности описываемого метода, отметим новизну примененного приема минерал переводят в люминесцирующий фосфор путем его активирования. До сих пор достигали такого превращения другим способом сам минерал или продукты его расщепления применялись как активатор для соответственно подбираемого основного вещества — растворителя. Этот последний метод весьма удобен, но только в тех случаях, когда в состав минерала входит элемент, обладающий типичной люминесценцией. Таковы редкоземельные элементы и уран, спектры свечения которых имеют дискретную структуру. Открытие в минералах урана и редкоземельных элементов методами люминесцентного анализа [30] представляется поэтому особенно соблазнительным. Работы эти подробно рассмотрены в первом разделе гл. ХП. [c.289] Для большинства элементов изотопическое расщепление резонансных линий очень мало и перекрывается допплеровским уширением. Исключением являются водород, гелий, литий, бор, ртуть, уран. В настоящее время разработаны атомно-абсорбционные методы изотопного анализа ртути, лития, урана и гелия и проведены предварительные исследования для водорода. [c.339] В результате захвата медленных нейтронов ураном 13 и последующего расщепления получается Рт (3,7 года) с выходом 2,6°/ [Р43], Отсюда очевидно, что возможно получение значительных количеств прометия для исследовательских целей (урановый реактор мощностью 100 мегаватт мог бы давать около-1,6 г Рт в день). Поскольку период полураспада сравнительно велик, а излучение состоит лишь из мягких отрицательных 3-частиц, то этот изотоп прометия можно исследовать обычными методами с применением обычного экранирующего устройства. Однако химическими реакциями, происходящими под действием, -излучения, пренебрегать в этом случае нельзя, поскольку удельная активность составляет около 0,6 кюри на 1 мг. [c.158] В ароматических азотсодержащих гетероциклах заменяет атом углерода. Можно ожидать, что уравнение (6-23) будет применимо и для По-видимому, это верно, однако эксперимент показывает, что влияние спиновых плотностей я-электронов на соседних атомах мало. Это значит, что мал коэффициент По некоторым оценкам этот коэффициент изменяется в пределах от —4 до -Ь4 Гс [109—113]. В связи с малым влиянием соседних атомов многие исследователи для оценок сверхтонкого расщепления на используют упрощенные уран- [c.138] Уран и плутоний служат сегодня горючим для ядерных реакторов, в которых получают тонны трансуранового элемента плутония. Плутоний можно назвать искусственным элементом — в природе он практически не встречается. В результате ядерного расщепления 1 кг плутония выделяется примерно столько же энергии, как при сгорании 2500 т каменного угля или при взрыве такого же количества тринитротолуола [c.73] Для иллюстрации приведем также (рис. IV. 12) картину расщепления уровней /-электрона в поле гексагональной бипризмы (с осью 6-го порядка вдоль Ог), реализующейся например, в комплексах уранила [88]. В качестве одноэлектронных были использованы угловые функции из низкосимметричного набора табл. II. 2. [c.101] Чтобы использовать внутриядерную энергию урана, надо было, во-первых, научиться разделять его изотопы. Ведь только уран-235 легко расщепляется на две половины с выбрасыванием 2 — 3 нейтронов. Ядра же его близнеца — урана-238 разбиваются лишь очень быстрыми нейтронами, а большей частью захватывают попавший в них нейтрон без расщепления. Значит, использование урана-238 пока отпадает. В природных урановых рудах изотопа с атомным весом 235, необходимого для осуществления процесса, в 140 раз меньше, чем урана-238. Разделить же изотопы — задача исключительно сложная. Разница между ними во всех отношенй- [c.250] В спектрах поглощения большинства солей уранила как в твердом, так и в растворенном состоянии наблюдается правильная последовательность широких полос (или точнее групп полос, что обнаруживается по расщеплению их при низких температурах на узкие полосы или линии ), охватывающая голубую, фиолетовую и близкую ультрафиолетовую области спектра. В спектрах флуоресценции подобная последователь- [c.7] Самойлов (1948) провел измерения линий в спектрах поглощения и флуоресценции некоторых солей уранила при температуре жидкого гелия (4,2°К). Он заметил, что охлаждение с 90° К (температура жидкого воздуха) до 4,2° К приводит к дальнейшему сужению и расщеплению линий и что соответствующие линии сдвигаются в сторону более коротких волн на расстояние 5—12 см . [c.24] Природная урановая руда состоит на 99,29% из и на 0,7% из Поэтому цепная реакция в природном уране развиваться не может, так как вторичные нейтроны, не успев замедлиться, уже захватываются ядрами и другими примесями, не вызывая дальнейшего расщепления ядер. [c.479] Для осуществления цепного процесса или отделяют уран-235 от урана-238, что сопряжено с большими техническими трудностями, или урановую массу обогащают изотопом В такой массе цеп-, ной процесс развивается сравнительно медленно и скорость расщепления легко регулируется. [c.479] В 1938 году немецкие ученые Отто Ган и Фриц Штрассман бомбардировали уран нейтронами. Неожиданно они обнаружили, что одним из продуктов является элемент с порядковым номером 56 — барий. Первой поняла в чем тут дело Лиза Мейтнер, австрийский физик, ранее работавшая с Ганом и Штрассманом. Она предположила, что нейтрон при бомбардировке расщепил атом урана на две равные части. Другие ученые немедленно подтвердили открытие Мейтнер. Миру стала известна первая реакция расщепления атома. Ган и Штрассман наблюдали сложный процесс, упрощенно описываемый так [c.337] Изотопическое расщепление в спектрах поглощения молекул, содержащих уран, известно давно. Эффект особенно заметен для переходов между колебательными уровнями. Изотопическое смещение может превышать 0,0001 длины волны. Другие возмоясно-сти появления изотопического расщепления для электронно-возбужденных состояний связаны с различными электрон-ядерными взаимодействиями, такими как расщепление по спину, квадру-польное расщепление или расщепление при воздействии внешнего поля. Большие изотопические эффекты характерны для проникающих электронных орбит, но, к сожалению, эти состояния обычно не участвуют в формировании молекулярнь[х связей. [c.269] Различие в коэффициентах распределения используется для многочисленных аналитических и препаративных работ. В количественном анализе простое (в случае необходимости многократное) экстрагирование молено использовать для выделения определяемого вещества, содержащегося в загрязненном образце, или для удаления мешающих компонентов. Так, уран количественно экстрагируется в виде тетрапро-ииламмония тринитрата из смеси продуктов расщепления [7]. Таким же образом можно отделить хлорид железа (П1) из кислых растворов, однако некоторые другие хлориды будут также экстрагироваться эфиром. Тем не менее этот способ является удобным средством удаления основной массы железа из сплавов при подготовке их для анализа на алюминий. [c.250] Если же подвергнуть уран действию протонов с высокой энергией, то получаются фактически все известные редкоземельные изото-пы, но количественную оценку здесь дать пока трудно. Наконец, еще один путь получения изотопов лантаноидов — расщепление быстрыми протонами ядер тория, рения, вольфрама, тантала и гафния. [c.141] Все элементы имеют некоторые неустойчивые (т. е. радиоактивные) изотопы. Особенно важен тот факт, что некоторые элементы не имеют устойчивых изотопов. Начиная с полония (атомный номер 84), ни один из элементов с более высоким атомным номером не имеет никаких устойчивых изотопов. Некоторые из них, например уран и торий, были найдены в природе в существенных количествах, поскольку у них есть по крайней мере один очень долгоживущий изотоп. Ряд элементов (Ra, Кп) обнаружен в малых количествах. Их содержание поддерживается постоянным, так как они непрерывно возникают как продукты расщепления при данном радиоактивном распаде. Другие, такие, как А[ и Рг, не имеют ни одного достаточного долгоживущего изотопа и отсутствуют в природе в макроколичествах. Существуют также два других элемента, Тс и Рт, у которых нет не только ни одного ста бильного изотопа, но нет также ни одного достаточно долгоживу- [c.35] Первые новые искусственные элементы нептуний и плутоний, названия которых, как и уран, происходят от названий соответствующих планет, были получены в 1940 г. Мак-Милланом и Абельсоном, а также Сиборгом, Мак-Милланом, Кеннеди и Уолом соответственно при бомбардировке урана пучком частиц на циклотроне в Беркли. Оба элемента получают из отработанных топливных элементов ядерных реакторов, в которых они образуются при захвате нейтронов, возникающих при расщеплении [c.537] В 1934 г. Ферми и сотрудники [F38, F39] в ходе своих известных работ, посвященных исследованию свойств медленных нейтронов, обнаружили, что при облучении нейтронами урана возникают радиоактивные продукты, по химическим свойствам не похожие ни на один из элементов между свинцом (Z == 82) и ураном (Z = 92) (сходство с полонием не проверялось). В дальнейшем было высказано предположение, что в этом случае, вероятно, имело место образование трансурановых элементов. В течение последующих лет многими исследователями были получены данные, которые, казалось, подтверждали идею о существовании трансурановых элементов. Однако в 1939 г. Ган и Штрассманн [Н123] с помощью радиохимических методов доказали присутствие радиоактивных изотопов бария и лантана в облученном нейтронами уране. Гипотеза Мейтнер и Фриша [М60] о расщеплении урана позволила дать правильное объяснение наблюдавшимся фактам, а также всем прежним доказательствам существования трансурановых элементов. Впоследствии было установлено, что различные радиоактивные продукты, которые были приняты за элементы с атомным номером 93 и выше, на самом деле представляют собой продукты расщепления урана, а именно изотопы элементов, расположенных между цинком (Z = 30) и европием (Z = 63). [c.177] Этот изотоп нептуния представляет значительный интерес ввиду его большого периода полураспада, благодаря которому он может быть получен и исследован в макроколичествах. Поскольку удельная радиоактивность этого изотопа сравнительно мала (около 1 500 ООО а-частиц в 1 мин. на 1 мг, т. е. примерно в тысячу раз меньше активности обычного урана), изотоп Кр сравнительно безопасен в обращении и может исследоваться обычными химическими методами. Изотоп Np образуется в урано-графитных ядерных реакторах в количестве около 0,1 /д от количества Ри зэ. На Хенфордском заводе было выделено несколько десятых грамма этого изотопа [876, 890]. Первое выделение нептуния в виде чистых соединений было произведено, повидимому, Магнуссоном и Лаша-пелем [М65] в 1944 г., причем выделенный ими изотоп Кр2 был получен действием нейтронов на уран. По имени этого изотопа нептуния получило свое название радиоактивное семейство нептуния (4га- - 1) [ЕЗЗ, Н109, С57, 890, 8127], поскольку изотоп Кр23 является наиболее долгоживущим из всех членов семейства (4ге- -1). Сечение захвата для расщепления Np тепловыми нейтронами оказалось равным 0,019- см [062]. [c.178] Уран имеет три изотопа 238U (99,2739+0,0007%), (0,7204 0,0007%) и (0,0057+0,007%). является первым членом ряда (4n-j-2) радиоактивного распада, а — первым членом ряда (4п+3) образуется при распаде Изотоп имеет огромное значение, так как при взаимодействии с нейтронами он претерпевает ядерную реакцию расщепления, например [c.547] В 1896 г. Анри Беккерель обнаружил, что металлический уран, а также его соединения испускают излучение, вызывающее почернение фотографической пластинки, закрытой черной бумагой, стеклом или другими материалами. Беккерель обнаружил также, что проникающие лучи, испускаемые ураном, подобно рентгеновским, вызывают ионизацию воздуха, т. е. расщепление молекул на отрицательно и положительно зарял еппые ионы. [c.31] При наличии структур (I) и (III) расщепление не должно было бы иметь место. Марки п Мак-Рейнольдс все же обнаружили эффект расщепления, который совместим с наличием структур (II), (IV) и (V), но не дает возможности сделать выбор между этими конфигурациями. Следует отметить, что обнаруженные на опыте углы вращения малы и тем самым результаты оставляют место для некоторых сомнений. В этом нанравлении явно нужны дальнейшие исследования. Актуальным вопросом координационной химии актинидов является также вопрос о том, характеризуются ли ионы тина MeOj всегда линейной структурой или же угол между связями U—О может заметно отклоняться от 180° в зависимости от природы коорди-нированнЪхх лигандов. В водных растворах как производные ионов Ме +, так и производные ионов тина уранила склонны к гидролизу с последующей полимеризацией. Отдельные фазы подобных [c.575] Имеются сообщения о синтезе и исследовании свойств целого ряда р-дикетоно 1х хелатов уранил-иона Эти соединения использовались как окрашивающие агенты для синтетических полимеров на основе метилметакрилата и других мономеров 2. Хелаты ураннла с ацетилацетоном, 8-оксихинолином, теноилтрифторацето-ном и купферроном используют для получения топливных элементов. Для этого их смешивают с мономерами типа акрилатов, метакрилатов, алкидов и стиролов, добавляют 1—10% металлического алюминия и циркония для рассеивания тепла при ядерном расщеплении и. последующего отверждения радиацией 2 . Хелаты ура-нила, полученные из салицилового альдегида и амина, добавляемые в количестве не более 10 вес. %, являются хорошими свето-стабилизаторами для термопластичных смол 2 . [c.310] В 1939 г. учеными разных стран было сделано новое исключительное по важности открытие деление (расщепление) ядер урана нейтронами. Краткая история этого открытия такова. Ферми, бомбардируя уран нейтронами в надежде получить искусственно элементы тяжелее урана, обнаружил, что в результате попадания нейтрона у атома урана появляется новое несвойственное ему р-излучение. Хотелось предположить, что оно исходит от элемента № 93. Но, изучая этот процесс, австрийские ученые Л. Мейтнер, Ган и Штрассман установили, что это излучение на деле гораздо сложнее, представляя собой целый каскад последовательных р-излучений с различными периодами полураспада. Положение еще более усложнилось, когда сначала Кюри и Савич, а затем те же Ган и Штрассман нашли среди продуктов излучения элементы лантан (№ 57) и барий (№ 56). Это было уже совсем непонятным, так как цепь радиоактивных превращений тяжелого элемента должна была закончиться, как обычно, на элементе № 82 (РЬ). [c.198] Дике и Дункан (1949, стр. 73) не смогли наблюдать зеема-новского расщепления в спектре флуоресценции твердых солей уранила. Это же можно сказать относительно измеренного ими спектра поглощения некоторых солей. Но эффект Зеемана проявляется на некоторых линиях поглощения других солей. Линии, подверженные зеемановскому расщеплению, образуют отдельную серию, названную магнитной (символ М). Это название применяли также для аналогичных серий линий в соединениях, в которых эффект Зеемана не наблюдался (см. табл. 1,11). Для появления эффекта Зеемана ось О—и—О должна быть осью симметрии кристалла. В этом случае угловой момент вокруг этой оси квантуется (квантовое число %) и, за исключением состояний, для которых Х = 0 (2-состояния), все другие спиновые синглетные состояния (П, А...) являются дважды вырожденными в отсутствие магнитного поля (поскольку вектор Я может иметь два противоположных направления). Это вырождение снимается, если наложить магнитное чоле, параллельное оси симметрии. Линии, в которых Я одно и то же для обоих термов, должны оставаться синглетными в магнитном поле и поляризованными параллельно полю. Линии, для которых АХ= 1, должны расщепляться на две компоненты, поляризованные по кругу. Но эти компоненты кажутся линейно поляризованными (перпендикулярно полю), если их рассматривать под прямым углом к магнитному вектору. [c.53] А. От этой области до 3100А несколько линий были идеи-тифицированы как принадлежащие к магнитным сериям (стр. 53). Линии этих серий представляют собой широкие дублеты (Av = 53,6 м- ) даже в отсутствие магнитного поля. В свою очередь, каждая из двух компонент является узким дублетом (Av 2 см ). Из двух расщеплений более широкое может быть обусловлено асимметрией внутреннего поля, причина же меньшего расщепления остается пока неизвестной. (Меньший интервал имеет тот же порядок величины, что и расщепление, создаваемое в других солях уранила магнитным полем, используемым для изучения эффекта Зеемана. Если бы этот интервал — а не больший — был вызван асимметрией поля, оказалось бы возможным получить в этом соединении эффект Зеемана, что в данном случае сделать, не удается.) В этой серии на расстоянии около 708 см от первой группы находится вторая группа, соответствующая возбуждению одного кванта симметричных колебаний в комбинации с электронным возбуждением Vm- [c.62] Вышеупомянутые, а также другие эксперименты в общем свидетельствуют в поддержку той точки зрения, что в ионах уранила оболочки 5/ образуют пустые орбиты, обладающие наинизшей энергией, и под действием сильного аксиально направленного электрического поля двух соседних атомов кислорода они расщепляются на компоненты, достаточно удаленные друг от друга. В противоположность этому очевидное существование т=3 хорошего квантового числа для 5[-электро-нов в МаЫр (СНзСОО) 3 говорит против широкого расщепления 5/-орбит под действием вторичных лигандов. Это означает, что [c.319] Эффект Зеемана. В спектре изолированного уранил-иона (находящегося в одном из упомянутых выше состояний), помещенного в магнитное поле, направленное вдоль оси моле кулы, должно наблюдаться характерное расщепление полос. В частности, расщепление должно быть пропорционально величине 2 Л4-2Е I роЯг, где Ро — магнетон Бора — приложенное магнитное поле Л — орбитальное квантовое число, а 2 — спиновое квантовое число состояния. В табл. 5.6 приведены значения Л4-2 2 для различных возможных состояний. [c.330] Для наблюдения эффекта Зеемана необходимо изучать монокристалл при очень низкой температуре. В этих условиях полосы становятся узкими. Кроме того, поле кристалла может снимать вырождение некоторых уровней. Те же последствия будет иметь электронно-колебательное взаимодействие (в данном случае взаимодействия с колебаниями типа vь и с колебаниями решетки) — так называемый эффект Реннера. Если приложенное магнитное поле не настолько велико, чтобы нарушить эти взаимодействия, эффект будет ничтожен и явление Зеемана не будет наблюдаться. Единственное идентифицированное зеемановское расщепление, наблюдавшееся до сих пор в солях уранила, обнаружено в области 2 в спектрах некоторых нитратов, Сзи02(К0з)з и RbU02(N0з)з (монокристаллы которых имеют симметрию Ъ ъ.) и было описано в разд. 4 гла- [c.330] Б. Деление ядер тяжелых элементов. Ядерные реакторы. В настоящее время достаточно хорошо теоретически обоснован и практически освоен метод извлечения энергии при расщеплении ядер тяжелых элементов и 94Рц2 9 под действием нейтронов. Изотоп содержится в металлическом уране, [c.30] chem21.info Деление ядер урана     «Физика - 11 класс» Делиться на части могут только ядра некоторых тяжелых элементов. При делении ядер испускаются два-три нейтрона и γ-лучи. Одновременно выделяется большая энергия. Открытие деления урана Деление ядер урана было открыто в 1938 г. немецкими учеными О. Ганом и Ф. Штрассманом. Они установили, что при бомбардировке урана нейтронами возникают элементы средней части периодической системы: барий, криптон и др. Однако правильное истолкование этого факта именно как деления ядра урана, захватившего нейтрон, было дано в начале 1939 г. английским физиком О. Фришем совместно с австрийским физиком Л. Мейтнер. Захват нейтрона нарушает стабильность ядра. Ядро возбуждается и становится неустойчивым, что приводит к его делению на осколки. Деление ядра возможно потому, что масса покоя тяжелого ядра больше суммы масс покоя осколков, возникающих при делении. Поэтому происходит выделение энергии, эквивалентной уменьшению массы покоя, сопровождающему деление.Но полная масса сохраняется, так как масса движущихся с большой скоростью осколков превышает их массу покоя. Возможность деления тяжелых ядер можно также объяснить с помощью графика зависимости удельной энергии связи от массового числа A. Удельная энергия связи ядер атомов элементов, занимающих в периодической системе последние места (А ≈ 200), примерно на 1 МэВ меньше удельной энергии связи в ядрах элементов, находящихся в середине периодической системы (А ≈ 100). Поэтому процесс деления тяжелых ядер на ядра элементов средней части периодической системы является энергетически выгодным. Система после деления переходит в состояние с минимальной внутренней энергией. Ведь, чем больше энергия связи ядра, тем большая энергия должна выделяться при возникновении ядра и, следовательно, тем меньше внутренняя энергия образовавшейся вновь системы. При делении ядра энергия связи, приходящаяся на каждый нуклон, увеличивается на 1 МэВ и общая выделяющаяся энергия должна быть огромной — порядка 200 МэВ. Ни при какой другой ядерной реакции (не связанной с делением) столь больших энергий не выделяется. Непосредственные измерения энергии, выделяющейся при делении ядра урана подтвердили приведенные соображения и дали значение ≈200 МэВ. Причем большая часть этой энергии (168 МэВ) приходится на кинетическую энергию осколков. На рисунке представлены треки осколков делящегося урана в камере Вильсона. Выделяющаяся при делении ядра энергия имеет электростатическое, а не ядерное происхождение. Большая кинетическая энергия, которую имеют осколки, возникает вследствие их кулоновского отталкивания. Механизм деления ядра Процесс деления атомного ядра можно объяснить на основе капельной модели ядра. Согласно этой модели сгусток нуклонов напоминает капельку заряженной жидкости. Ядерные силы между нуклонами являются короткодействующими, подобно силам, действующим между молекулами жидкости.Наряду с большими силами электростатического отталкивания между протонами, стремящимися разорвать ядро на части, действуют еще бо́льшие ядерные силы притяжения. Эти силы удерживают ядро от распада. Ядро урана-235 имеет форму шара. Поглотив лишний нейтрон, оно возбуждается и начинает деформироваться, приобретая вытянутую форму. Ядро будет растягиваться до тех пор, пока силы отталкивания между половинками вытянутого ядра не начнут преобладать над силами притяжения, действующими в перешейке. После этого оно разрывается на две части. Под действием кулоновских сил отталкивания эти осколки разлетаются со скоростью, равной 1/30 скорости света. Испускание нейтронов в процессе деления Фундаментальный факт ядерного деления — испускание в процессе деления двух-трех нейтронов. Именно благодаря этому оказалось возможным практическое использование внутриядерной энергии. Понять, почему происходит испускание свободных нейтронов, можно исходя из следующих соображений. Известно, что отношение числа нейтронов к числу протонов в стабильных ядрах возрастает с повышением атомного номера. Поэтому у возникающих при делении осколков относительное число нейтронов оказывается большим, чем это допустимо для ядер атомов, находящихся в середине таблицы Менделеева. В результате несколько нейтронов освобождается в процессе деления. Их энергия имеет различные значения — от нескольких миллионов электрон-вольт до совсем малых, близких к нулю. Деление обычно происходит на осколки, массы которых отличаются примерно в 1,5 раза. Осколки эти сильно радиоактивны, так как содержат избыточное количество нейтронов. В результате серии последовательных β-распадов в конце концов получаются стабильные изотопы. Существует также спонтанное деление ядер урана. Оно было открыто советскими физиками Г. Н. Флеровым и К. А. Петржаком в 1940 г. Период полураспада для спонтанного деления равен 1016 лет. Это в два миллиона раз больше периода полураспада при α-распаде урана. Реакция деления ядер сопровождается выделением энергии. Деление атомных ядер тяжелых элементов возможно благодаря тому, что удельная энергия связи этих ядер меньше удельной энергии связи ядер элементов, находящихся в середине периодической системы Менделеева. Источник: «Физика - 11 класс», учебник Мякишев, Буховцев, Чаругин Физика атомного ядра. Физика, учебник для 11 класса - Класс!ная физика Методы наблюдения и регистрации элементарных частиц --- Открытие радиоактивности. Альфа-, бета- и гамма-излучения --- Радиоактивные превращения --- Закон радиоактивного распада. Период полураспада --- Открытие нейтрона --- Строение атомного ядра. Ядерные силы. Изотопы --- Энергия связи атомных ядер --- Ядерные реакции --- Деление ядер урана --- Цепные ядерные реакции --- Ядерный реактор --- Термоядерные реакции. Применение ядерной энергии --- Получение радиоактивных изотопов и их применение --- Биологическое действие радиоактивных излучений --- Краткие итоги главы --- Три этапа в развитии физики элементарных частиц --- Открытие позитрона. Античастицы Устали? - Отдыхаем!  Вверх class-fizika.ru Деление ядра урана. Цепная реакция. Описание процессаОбразование 12 июля 2016Деление ядра – это расщепление тяжелого атома на два фрагмента примерно равной массы, сопровождаемое выделением большого количества энергии. Открытие ядерного деления начало новую эру – «атомный век». Потенциал возможного его использования и соотношение риска к пользе от его применения не только породили множество социологических, политических, экономических и научных достижений, но также и серьезные проблемы. Даже с чисто научной точки зрения процесс ядерного деления создал большое число головоломок и осложнений, и полное теоретическое его объяснение является делом будущего. Делиться – выгодноЭнергии связи (на нуклон) у разных ядер различаются. Более тяжелые обладают меньшей энергией связи, чем расположенные в середине периодической таблицы. Это означает, что тяжелым ядрам, у которых атомное число больше 100, выгодно делиться на два меньших фрагмента, тем самым высвобождая энергию, которая превращается в кинетическую энергию осколков. Этот процесс называется расщеплением атомного ядра. В соответствии с кривой стабильности, которая показывает зависимость числа протонов от числа нейтронов для стабильных нуклидов, более тяжелые ядра предпочитают большее число нейтронов (по сравнению с количеством протонов), чем более легкие. Это говорит о том, что наряду с процессом расщепления будут испускаться некоторые «запасные» нейтроны. Кроме того, они будут также принимать на себя часть выделяющейся энергии. Изучение деления ядра атома урана показало, что при этом выделяется 3–4 нейтрона: 238U → 145La + 90Br + 3n. Атомное число (и атомная масса) осколка не равна половине атомной массы родителя. Разница между массами атомов, образовавшихся в результате расщепления, обычно составляет около 50. Правда, причина этого еще не совсем понятна. Энергии связи 238U, 145La и 90Br равны 1803, 1198 и 763 МэВ соответственно. Это означает, что в результате данной реакции высвобождается энергия деления ядра урана, равная 1198 + 763-1803 = 158 МэВ.
Самопроизвольное делениеПроцессы спонтанного расщепления известны в природе, но они очень редки. Среднее время жизни указанного процесса составляет около 1017 лет, а, например, среднее время жизни альфа-распада того же радионуклида составляет около 1011 лет. Причина этого заключается в том, что для того, чтобы разделиться на две части, ядро должно сначала подвергнуться деформации (растянуться) в эллипсоидальную форму, а затем, перед окончательным расщеплением на два фрагмента, образовать «горлышко» посредине.
Видео по темеПотенциальный барьерВ деформированном состоянии на ядро действуют две силы. Одна из них – возросшая поверхностная энергия (поверхностное натяжение капли жидкости объясняет ее сферическую форму), а другая – кулоновское отталкивание между осколками деления. Вместе они производят потенциальный барьер. Как и в случае альфа-распада, чтобы произошло спонтанное деление ядра атома урана, фрагменты должны преодолеть этот барьер с помощью квантового туннелирования. Величина барьера составляет около 6 МэВ, как и в случае с альфа-распадом, но вероятность туннелирования α-частицы значительно больше, чем гораздо более тяжелого продукта расщепления атома.
Вынужденное расщеплениеГораздо более вероятным является индуцированное деление ядра урана. В этом случае материнское ядро облучается нейтронами. Если родитель его поглощает, то они связываются, высвобождая энергию связи в виде колебательной энергии, которая может превысить 6 МэВ, необходимых для преодоления потенциального барьера. Там, где энергии дополнительного нейтрона недостаточно для преодоления потенциального барьера, падающий нейтрон должен обладать минимальной кинетической энергией для того, чтобы иметь возможность индуцировать расщепление атома. В случае 238U энергии связи дополнительных нейтронов не хватает около 1 МэВ. Это означает, что деление ядра урана индуцируется только нейтроном с кинетической энергией больше 1 МэВ. С другой стороны, изотоп 235U имеет один непарный нейтрон. Когда ядро поглощает дополнительный, он образует с ним пару, и в результате этого спаривания появляется дополнительная энергия связи. Этого достаточно для освобождения количества энергии, необходимого для того, чтобы ядро преодолело потенциальный барьер и деление изотопа происходило при столкновении с любым нейтроном.
Бета-распадНесмотря на то что при реакции деления испускаются три или четыре нейтрона, осколки по-прежнему содержат больше нейтронов, чем их стабильные изобары. Это означает, что фрагменты расщепления, как правило, неустойчивы по отношению к бета-распаду. Например, когда происходит деление ядра урана 238U, стабильным изобаром с А = 145 является неодим 145Nd, что означает, что фрагмент лантан 145La распадается в три этапа, каждый раз излучая электрон и антинейтрино, пока не будет образован стабильный нуклид. Стабильным изобаром с A = 90 является цирконий 90Zr, поэтому осколок расщепления бром 90Br распадается в пять этапов цепи β-распада. Эти цепи β-распада выделяют дополнительную энергию, которая почти вся уносится электронами и антинейтрино.
Ядерные реакции: деление ядер уранаПрямое излучение нейтрона из нуклида со слишком большим их количеством для обеспечения стабильности ядра маловероятно. Здесь дело заключается в том, что нет кулоновского отталкивания, и поэтому поверхностная энергия имеет тенденцию к удержанию нейтрона в связи с родителем. Тем не менее это иногда происходит. Например, фрагмент деления 90Br в первой стадии бета-распада производит криптон-90, который может быть находиться в возбужденном состоянии с достаточной энергией, чтобы преодолеть поверхностную энергию. В этом случае излучение нейтронов может происходить непосредственно с образованием криптона-89. Этот изобар по-прежнему неустойчив по отношению к β-распаду, пока не перейдет в стабильный иттрий-89, так что криптон-89 распадается в три этапа.
Деление ядер урана: цепная реакцияНейтроны, испускаемые в реакции расщепления, могут быть поглощены другим ядром-родителем, которое затем само подвергается индуцированному делению. В случае урана-238 три нейтрона, которые возникают, выходят с энергией менее 1 МэВ (энергия, выделяющаяся при делении ядра урана – 158 МэВ – в основном переходит в кинетическую энергию осколков расщепления), поэтому они не могут вызвать дальнейшее деление этого нуклида. Тем не менее при значительной концентрации редкого изотопа 235U эти свободные нейтроны могут быть захвачены ядрами 235U, что действительно может вызвать расщепление, так как в этом случае отсутствует энергетический порог, ниже которого деление не индуцируется. Таков принцип цепной реакции.
Типы ядерных реакцийПусть k – число нейтронов, произведенное в образце делящегося материала на стадии n этой цепи, поделенное на число нейтронов, образованных на стадии n - 1. Это число будет зависеть от того, сколько нейтронов, полученных на стадии n - 1, поглощаются ядром, которое может подвергнуться вынужденному делению. • Если k < 1, то цепная реакция просто выдохнется и процесс остановится очень быстро. Именно это и происходит в природной урановой руде, в которой концентрация 235U настолько мала, что вероятность поглощения одного из нейтронов этим изотопом крайне ничтожна. • Если k > 1, то цепная реакция будет расти до тех пор, пока весь делящийся материал не будет использован (атомная бомба). Это достигается путем обогащения природной руды до получения достаточно большой концентрации урана-235. Для сферического образца величина k увеличивается с ростом вероятности поглощения нейтронов, которая зависит от радиуса сферы. Поэтому масса U должна превышать некоторую критическую массу, чтобы деление ядер урана (цепная реакция) могло происходить. • Если k = 1, то имеет место управляемая реакция. Это используется в ядерных реакторах. Процесс контролируется распределением среди урана стержней из кадмия или бора, которые поглощают большую часть нейтронов (эти элементы обладают способностью захватывать нейтроны). Деление ядра урана контролируется автоматически путем перемещения стержней таким образом, чтобы величина k оставалась равной единице. Источник: fb.ruКомментарии  Идёт загрузка... Похожие материалы  Образование Уран, химический элемент: история открытия и реакция деления ядраВ статье рассказывается о том, когда был открыт такой химический элемент, как уран, и в каких отраслях производства в наше время применяется это вещество.Уран – химический элемент энергетической и военно...  Автомобили Как настроить сабвуфер в машине? Поэтапное описание процессаСабвуфер – мечта многих автовладельцев. При помощи данного устройства можно безгранично наслаждаться тонами музыки и смотреть на завистливые глаза других водителей. Но после покупки и монтажа данного устройства ...  Бизнес Что такое ректификация? Описание процесса и применение в промышленностиСпирты плотно вошли в нашу жизнь. И это не только алкоголь. Получают его путем брожения с последующей перегонкой. И часто люди ошибочно думают, что ректификация – это перегонка второй раз. На самом деле это мног...  Бизнес Мембраны для гидроаккумуляторов: разновидности, предназначение и описание процесса их заменыМембраны являются составляющими элементами гидроаккумуляторов для насосных станций. В данном случае это немаловажные приспособления.  Домашний уют Демонтаж ванны: описание процесса. Вывоз ваннПроведение сантехнических работ нередко предусматривает операции по ремонту и замене местного оборудования. Простейшие косметические мероприятия затрагивают смесители, фитинги, соединительные элементы и прочую мелкофо...  Домашний уют Как заряжать Ni-Cd-аккумуляторы: описание процессаБлагодаря совершенствованию производства Ni-Cd-батареи сегодня применяются в большинстве портативных электронных устройств. Приемлемая стоимость и высокие эксплуатационные показатели сделали представленную разновиднос...  Домашний уют Объединение балкона с комнатой: идеи и описание процессаДовольно распространенной проблемой большинства современных квартир является дефицит жилой площади. Каждый хозяин старается решить эту задачу по-своему. Наиболее простым способом сделать площадь своей квартиры несколь...  Домашний уют Как аргоном варить? Описание процесса и инструкцияСварка аргоном способна защитить поверхности из металла от проникновения кислорода и вредных примесей. Она обеспечивает получение качественного шва, а также сохраняет все физические характеристики металла. При этом ра...  Домашний уют Шкаф в стиле прованс своими руками: поэтапное описание процессаПрованс – это регион, который расположен на юге Франции. Он знаменит своими морскими пейзажами, солнечной погодой и красивой природой. Этим и наполнен интерьер в стиле прованс. Он отлично смотрится как в загород...  Домашний уют Можно ли класть на деревянный пол плитку? И как правильно это делать: описание процессаКерамическая плитка считается идеальным материалом для стен и пола помещений, подверженных воздействию влаги и перепадам температур. Это, как правило, кухни, ванные комнаты, бани. Правда, сам процесс ее укладки сопряж... monateka.com Деление урана — PhysBookИстория открытия деления уранаДеление ядер урана было открыто в 1938 г. немецкими учеными О. Ганом и Ф. Штрассманом. Им удалось установить, что при бомбардировке ядер урана нейтронами образуются элементы средней части периодической системы: барий, криптон и др. Правильное толкование этому факту дали австрийский физик Л. Мейтнер и английский физик О. Фриш. Они объяснили появление этих элементов распадом ядер урана, захватившего нейтрон, на две примерно равные части. Это явление получило название деления ядер, а образующиеся ядра — осколков деления.
См. также
Капельная модель ядраОбъяснить эту реакцию деления можно основываясь на капельной модели ядра. В этой модели ядро рассматривается как капля электрически заряженной несжимаемой жидкости. Кроме ядерных сил, действующих между всеми нуклонами ядра, протоны испытывают дополнительное электростатическое отталкивание, вследствие которого они располагаются на периферии ядра. В невозбужденном состоянии силы электростатического отталкивания скомпенсированы, поэтому ядро имеет сферическую форму (рис. 1, а).  Рис. 1 После захвата ядром \(~^{235}_{92}U\) нейтрона образуется промежуточное ядро \(~(^{236}_{92}U)^*\), которое находится в возбужденном состоянии. При этом энергия нейтрона равномерно распределяется между всеми нуклонами, а само промежуточное ядро деформируется и начинает колебаться. Если возбуждение невелико, то ядро (рис. 1, б), освобождаясь от излишка энергии путем испускания γ-кванта или нейтрона, возвращается в устойчивое состояние. Если же энергия возбуждения достаточно велика, то деформация ядра при колебаниях может быть настолько большой, что в нем образуется перетяжка (рис. 1, в), аналогичная перетяжке между двумя частями раздваивающейся капли жидкости. Ядерные силы, действующие в узкой перетяжке, уже не могут противостоять значительной кулоновской силе отталкивания частей ядра. Перетяжка разрывается, и ядро распадается на два "осколка" (рис. 1, г), которые разлетаются в противоположные стороны. <swf age="13" bgcolor="#F8F8FF" dummy="Dummy_pic1.jpg">uran.swf</swf> Flash: Деление урана Увеличить Flash Рис. 2.В настоящее время известны около 100 различных изотопов с массовыми числами примерно от 90 до 145, возникающих при делении этого ядра. Две типичные реакции деления этого ядра имеют вид: \(~^{235}_{92}U + \ ^1_0n \ ^{\nearrow}_{\searrow} \ \begin{matrix} ^{144}_{56}Ba + \ ^{89}_{36}Kr + \ 3^1_0n \\ ^{140}_{54}Xe + \ ^{94}_{38}Sr + \ 2^1_0n \end{matrix}\) .Обратите внимание, что в результате деления ядра, инициированного нейтроном, возникают новые нейтроны, способные вызвать реакции деления других ядер. Продуктами деления ядер урана-235 могут быть и другие изотопы бария, ксенона, стронция, рубидия и т. д. При делении ядер тяжелых атомов (\(~^{235}_{92}U\)) выделяется очень большая энергия — около 200 МэВ при делении каждого ядра. Около 80 % этой энергии выделяется в виде кинетической энергии осколков; остальные 20 % приходятся на энергию радиоактивного излучения осколков и кинетическую энергию мгновенных нейтронов. Оценку выделяющей при делении ядра энергии можно сделать с помощью удельной энергии связи нуклонов в ядре. Удельная энергия связи нуклонов в ядрах с массовым числом A ≈ 240 порядка 7,6 МэВ/нуклон, в то время как в ядрах с массовыми числами A = 90 – 145 удельная энергия примерно равна 8,5 МэВ/нуклон. Следовательно, при делении ядра урана освобождается энергия порядка 0,9 МэВ/нуклон или приблизительно 210 МэВ на один атом урана. При полном делении всех ядер, содержащихся в 1 г урана, выделяется такая же энергия, как и при сгорании 3 т угля или 2,5 т нефти. См. также
Цепная реакцияЦепная реакция — ядерная реакция, в которой частицы, вызывающие реакцию, образуются как продукты этой реакции. При делении ядра урана-235, которое вызвано столкновением с нейтроном, освобождается 2 или 3 нейтрона. При благоприятных условиях эти нейтроны могут попасть в другие ядра урана и вызвать их деление. На этом этапе появятся уже от 4 до 9 нейтронов, способных вызвать новые распады ядер урана и т. д. Такой лавинообразный процесс называется цепной реакцией. Схема развития цепной реакции деления ядер урана представлена на рис. 3.  Рис. 3 <swf age="13" bgcolor="#F8F8FF" dummy="Dummy_pic1.jpg">reakcia.swf</swf> Flash: цепная реакция Увеличить Flash Рис. 4.Уран встречается в природе в виде двух изотопов\[~^{238}_{92}U\] (99,3 %) и \(~^{235}_{92}U\) (0,7 %). При бомбардировке нейтронами ядра обоих изотопов могут расщепляться на два осколка. При этом реакция деления \(~^{235}_{92}U\) наиболее интенсивно идет на медленных (тепловых) нейтронах, в то время как ядра \(~^{238}_{92}U\) вступают в реакцию деления только с быстрыми нейтронами с энергией порядка 1 МэВ. Иначе энергия возбуждения образовавшихся ядер \(~^{239}_{92}U\) оказывается недостаточной для деления, и тогда вместо деления происходят ядерные реакции: \(~^{238}_{92}U + \ ^1_0n \to \ ^{239}_{92}U \to \ ^{239}_{93}Np + \ ^0_{-1}e\) .Изотоп урана \(~^{238}_{92}U\) β-радиоактивен, период полураспада 23 мин. Изотоп нептуния \(~^{239}_{93}Np\) тоже радиоактивен, период полураспада около 2 дней. \(~^{239}_{93}Np \to \ ^{239}_{94}Pu + \ ^0_{-1}e\) .Изотоп плутония \(~^{239}_{94}Np\) относительно стабилен, период полураспада 24000 лет. Важнейшее свойство плутония состоит в том, что он делится под влиянием нейтронов так же, как \(~^{235}_{92}U\). Поэтому с помощью \(~^{239}_{94}Np\) может быть осуществлена цепная реакция. Рассмотренная выше схема цепной реакции представляет собой идеальный случай. В реальных условиях не все образующиеся при делении нейтроны участвуют в делении других ядер. Часть их захватывается неделящимися ядрами посторонних атомов, другие вылетают из урана наружу (утечка нейтронов). Поэтому цепная реакция деления тяжелых ядер возникает не всегда и не при любой массе урана. Коэффициент размножения нейтроновРазвитие цепной реакции характеризуется так называемым коэффициентом размножения нейтронов К, который измеряется отношением числа Ni нейтронов, вызывающих деление ядер вещества на одном из этапов реакции, к числу Ni-1 нейтронов, вызвавших деление на предыдущем этапе реакции: \(~K = \dfrac{N_i}{N_{i - 1}}\) .Коэффициент размножения зависит от ряда факторов, в частности от природы и количества делящегося вещества, от геометрической формы занимаемого им объема. Одно и то же количество данного вещества имеет разное значение К. К максимально, если вещество имеет шарообразную форму, поскольку в этом случае потеря мгновенных нейтронов через поверхность будет наименьшей. Масса делящегося вещества, в котором цепная реакция идет с коэффициентом размножения К = 1, называется критической массой. В небольших кусках урана большинство нейтронов, не попав ни в одно ядро, вылетают наружу. Значение критической массы определяется геометрией физической системы, ее структурой и внешним окружением. Так, для шара из чистого урана \(~^{235}_{92}U\) критическая масса равна 47 кг (шар диаметром 17 см). Критическую массу урана можно во много раз уменьшить, если использовать так называемые замедлители нейтронов. Дело в том, что нейтроны, рождающиеся при распаде ядер урана, имеют слишком большие скорости, а вероятность захвата медленных нейтронов ядрами урана-235 в сотни раз больше, чем быстрых. Наилучшим замедлителем нейтронов является тяжелая вода D2O. Обычная вода при взаимодействии с нейтронами сама превращается в тяжелую воду. Хорошим замедлителем является также графит, ядра которого не поглощают нейтронов. При упругом взаимодействии с ядрами дейтерия или углерода нейтроны замедляются до тепловых скоростей. Применение замедлителей нейтронов и специальной оболочки из бериллия, которая отражает нейтроны, позволяет снизить критическую массу до 250 г. При коэффициенте размножения К = 1 число делящихся ядер поддерживается на постоянном уровне. Такой режим обеспечивается в ядерных реакторах. Если масса ядерного топлива меньше критической массы, то коэффициент размножения К < 1; каждое новое поколение вызывает все меньшее и меньшее число делений, и реакция без внешнего источника нейтронов быстро затухает. Если же масса ядерного топлива больше критической, то коэффициент размножения К > 1 и каждое новое поколение нейтронов вызывает все большее число делений. Цепная реакция лавинообразно нарастает и имеет характер взрыва, сопровождающегося огромным выделением энергии и повышением температуры окружающей среды до нескольких миллионов градусов. Цепная реакция такого рода происходит при взрыве атомной бомбы. Ядерная бомбаВ обычном состоянии ядерная бомба не взрывается потому, что ядерный заряд в ней разделен на несколько небольших частей перегородками, поглощающими продукты распада урана, – нейтроны. Цепная ядерная реакция, являющаяся причиной ядерного взрыва, не может поддерживаться в таких условиях. Однако, если фрагменты ядерного заряда соединить вместе, то их суммарная масса станет достаточной для того, чтобы начала развиваться цепная реакция деления урана. В результате происходит ядерный взрыв. При этом мощность взрыва, развиваемая ядерной бомбой сравнительно небольших размеров, эквивалентна мощности, выделяющейся при взрыве миллионов и миллиардов тонн тротила.  Рис. 5. Атомная бомба См. также
www.physbook.ru
nuclphys.sinp.msu.ru |
|
||||||||||||||||||
|
|
||||||||||||||||||
|
