§ 29. Ποділ важких ядер. Ланцюгова ядерна реакція поділу. Ядерна реакція

Процеси, під час яких одні ядра переходять в інші, називають ядерними перетвореннями. Ядерні перетворення поділяють на радіоактивність (радіоактивний розпад) і ядерні реакції.

Під час радіоактивного розпаду одне ядро (його називають материнським) перетворюється в одне або два дочірніх унаслідок самочинного випускання елементарних частинок, ядер і електромагнітного випромінювання.

Ядерні реакції відбуваються тоді, коли внаслідок зіткнень частинки впритул наближаються до ядра і потрапляють у сферу дії ядерних сил, що і спричиняє зміну ядер.

Ядерні перетворення зазвичай записують подібно до хімічних реакцій: ліворуч записують частинки та ядра, що вступають у взаємодію, а праворуч - продукти реакції, тобто нові частинки, ядра й електромагнітне випромінювання. Ви вже знаєте, що нукліди позначають символом ^A_ZX. Елементарні частинки позначають так: е^-(⁰_-1e або β^-) - електрон, р (або ¹₁Н) - протон, n - нейтрон, γ - електромагнітне випромінювання (світло, рентгенівські промені або γ-випромінювання). α-частинку позначають або літерою α, або символом ⁴₂Не (ядро Гелію).

Ви знаєте, що явище радіоактивності відкрив Беккерель під час дослідів із солями Урану. При цьому відбувався α-розпад ядер ²³⁸₉₂U, який супроводжувався утворенням ядер ізотопу Торію ²³⁴₉₀Th з випусканням α-частинок і γ-випромінювання:

²³⁸₉₂^U → ²³⁴₉₀Th + ⁴₂Не + γ.

Перетворення ядер відбувається за так званим правилом зміщення, яке вперше сформулював англійський хімік Содді. Під час α-розпаду ядро втрачає позитивний заряд 2е, а маса зменшується приблизно на 4 атомні одиниці маси. У результаті елемент зміщується на дві клітинки до початку періодичної системи елементів:

^A_ZX → ^A^-4_Z_-2Y + ⁴₂Не.

Під час β-розпаду ядро набуває додаткового позитивного заряду е, і елемент зміщується на одну клітинку ближче до кінця періодичної системи:

^Α_ZΧ → ^A_Z₊₁Υ + ⁰_-1e.

Наприклад, під час β-розпаду ізотопу Калію ⁴⁰₁₉К продуктом розпаду є ядро ізотопу Кальцію ⁴⁰₂₀Са, що спрощено можна записати так:

⁴⁰₁₉K → ⁴⁰₂₀Ca + ⁰_-1e.

γ-випромінювання не супроводжується зміною заряду, маса ядра змінюється надзвичайно мало.

Зміну атомних ядер у результаті їхньої взаємодії з елементарними частинками або між собою називають ядерними реакціями.

Для здійснення ядерної реакції частинки потрібно наблизити до ядра впритул (на відстань близько 10^-15 м). Якщо реакція відбувається під дією позитивно зарядженої частинки, потрібно, щоб вона мала кінетичну енергію, достатню для подолання дії сил електричного відштовхування. Таку енергію надають протонам, α-частинкам та іншим важчим ядрам за допомогою прискорювачів елементарних частинок та йонів.

Знаємо, що одиницею енергії є один джоуль, але це завелика одиниця для запису значень енергій, характерних для елементарних ядерних процесів. Для цього зазвичай застосовують один електрон-вольт (1 еВ), один кілоелектрон-вольт (1 кеВ) і один мегаелектрон-вольт (1 МеВ). Один електрон-вольт дорівнює кінетичній енергії, яку набуває електрон, що рухається в електричному полі при напрузі один вольт.

1 еВ = eU = 1,6 • 10^-19 Кл • 1 В = 1,6 • 10^-19 Дж.

1 кеВ = 10³ еВ = 1,6 • 10^-16 Дж.

1 МеВ = 10⁶ еВ = 1,6 • 10^-13 Дж.

Історично першою ядерною реакцією, яку здійснила людина, була реакція перетворення ядра Нітрогену в ядро Оксигену, яка відбувалася в дослідах Резерфорда в 1919 році:

¹⁴₇N + ⁴₂He → ¹⁷₈O + ¹₁H.

Для здійснення ядерних реакцій прискорені частинки ефективніші, ніж α-частинки, що їх випромінюють природні радіоактивні елементи. По-перше, їм можна надати значно більшої енергії (порядку 10⁵ МеВ), порівняно з α-частинками з енергією 9 МеВ. По-друге, можна використати протони, які у процесі радіоактивного розпаду не з’являються (це доцільно, тому що їхній заряд удвічі менший від заряду α-частинок, унаслідок чого сила, що діє на протони з боку ядер, теж удвічі менша). По-третє, можна прискорювати ядра важчі, ніж ядра Гелію.

Перше перетворення атомних ядер за допомогою протонів великої енергії, добутих на прискорювачі, здійснено в 1932 р., коли вдалося розщепити Літій на дві α-частинки:

⁷₃Li + ¹₁H → ⁴₂He + ⁴₂He.

Відкриття нейтрона було поворотним пунктом у дослідженні ядерних реакцій. Оскільки нейтрони не мають заряду, то вони без перешкод проникають в атомні ядра і спричинюють їхні перетворення. Наприклад, спостерігається така реакція:

²⁷₁₃Al → ¹₀n → ²⁴₁₁Na + ⁴₂He.

Великий італійський фізик Енріко Фермі, який першим почав вивчати реакції, спричинювані нейтронами, виявив, що ядерні перетворення зумовлюються навіть повільними нейтронами. Причому ці повільні нейтрони здебільшого навіть ефективніші, ніж швидкі. Тому швидкі нейтрони доцільно спочатку сповільнювати. Сповільнюються нейтрони до теплових швидкостей за допомогою речовин-сповільнювачів, одною з яких може бути і звичайна вода. Цей ефект пояснюється тим, що у воді є багато ядер Гідрогену - протонів, маса яких майже дорівнює масі нейтронів. А під час зіткнення куль однакової маси найінтенсивніше передається кінетична енергія. Під час центрального зіткнення нейтрона з протоном, що перебуває у стані спокою, він повністю передає протону свою кінетичну енергію, тобто реально сповільнюється до швидкостей теплового руху.

Подібно до хімічних реакцій деякі ядерні реакції проходять з виділенням енергії, а деякі - з поглинанням (відповідно екзотермічні і ендотермічні реакції).

Поділ атомних ядер - це особливий вид ядерних реакцій, коли ядро важкого елемента ділиться на дві частини, одночасно випромінюючи два-три нейтрони, γ-випромінювання і значну кількість енергії.

Поділ ядер Урану відкрили в 1938 р. німецькі вчені Отто Ган і Фріц Штрасман. Їм удалося встановити, що під час бомбардування нейтронами ядер ізотопу Урану ²³⁸₉₂U виникають елементи середньої частини періодичної системи: Барій ¹⁴⁴₅₆Ва, Криптон ⁸⁹₃₆Кr і кілька нейтронів:

²³⁸₉₂ + ¹₀n → ¹⁴⁴₅₆Ba + ⁸⁹₃₆Kr + 3¹₀n.

Але правильне тлумачення цього факту, саме як поділу ядра Урану, що захопило нейтрон, у 1939 р. дали фізики - англієць Отто Фріш і австрійка Ліза Мейтнер.

Безпосередні вимірювання енергії, яка виділяється під час поділу ядра Урану ²³⁵₉₂U, підтвердили наведені міркування і дали значення ≈ 200 МеВ.

Більша частина цієї енергії (168 МеВ) припадає на кінетичну енергію ядер-осколків. Енергія, яка виділяється під час поділу ядер, електростатичного, а не ядерного походження. Ядерні сили між нуклонами короткодіючі, подібно до сил, що діють між молекулами рідини. Одночасно з великими силами електростатичного відштовхування між протонами, які намагаються розірвати ядро на частини, діють ще більші ядерні сили притягання. Ці сили не дають ядру розпастися.

Ядро Урану-235 має форму кулі (мал. 256, а). Захопивши зайвий нейтрон, ядро збуджується і починає деформуватися, набуваючи витягнутої форми (мал. 256, б). Ядро розтягується доти, доки сили відштовхування між кінцями витягнутого ядра не переважатимуть сили зчеплення, які діють на перешийок (мал. 256, в). Розтягуючись дедалі дужче, ядро розривається на дві частини (мал. 256, г).

Мал. 256

Під дією електричних сил відштовхування ці уламки чи осколки розлітаються зі швидкістю, що дорівнює 1/30 швидкості поширення світла.

Фундаментальним фактом ядерного поділу є випромінювання в цьому процесі двох-трьох нейтронів. Саме завдяки цьому стало можливим практичне використання внутрішньоядерної енергії. Зрозуміти, чому виділяються вільні нейтрони, можна, виходячи з таких міркувань. Відомо, що відносна кількість нейтронів у стабільних ядрах зростає зі збільшенням атомного номера. Тому в осколках, які утворюються під час поділу, відношення кількості нейтронів до кількості протонів більше, ніж це допустимо для ядер атомів, що містяться в середині періодичної системи елементів. Через це кілька нейтронів вивільняється у процесі поділу. Їхня енергія має різні значення - від кількох мегаелектрон-вольтів до зовсім малих, близьких до нуля. Це дає змогу здійснити ланцюгову реакцію поділу урану.

Ядерні ланцюгові реакції — це ядерні реакції, під час яких частинки, що їх спричинюють, утворюються як продукти цих реакцій.

Будь-який з нейтронів, що вилітає з ядра у процесі поділу, може у свою чергу спричинити розпад сусіднього ядра, яке також виділяє нейтрони, здатні спричинити поділ. Тому кількість ядер, що діляться, швидко збільшується, і виникає самопідтримна ланцюгова реакція, схему якої подано на малюнку 257.

Мал. 257

Ланцюгова реакція супроводжується виділенням величезної енергії. Від поділу кожного ядра виділяється близько 200 МеВ енергії. Від повного поділу всіх ядер 1 г урану виділяється 2,3 • 10⁴кВт • год енергії, яка еквівалентна енергії, що утворюється від спалювання 3 т вугілля або 2,5 т нафти.

Ланцюгова реакція практично здійсненна лише на трьох ізотопах.

Один з них - ²³⁵₉₂U присутній у природному урані, а два інших - ²³³₉₂U і Плутоній ²³⁹₉₄Pu - одержують штучно.

ЗАПИТАННЯ ДО ВИВЧЕНОГО