Деление ядра

Схематическое изображение деления ядра 235 U при поглощении нейтрона Деление ядра – ядерная реакция, при которой ядро тяжелого элемента распадается на меньшие ядра, часто выделяя при этом гамма-кванты и свободные нейтроны.
Деление ядра – экзотермическая реакция. Выделенное при разделении тепло намного превышает характерные энергии химических реакций. Поэтому деление используется в ядерной энергетике, а также в военном деле для создания атомных бомб.
Деление следует отличать от реакций радиоактивного распада, при которых выделяются гамма-кванты, альфа-и бета-частицы, а масса ядра и его атомный номер изменяются незначительно, или совсем не изменяются. При разделении первичное ядро распадается на крупные куски и как следствие возникают относительно тяжелые ядра с середины периодической таблицы.
Ядер, которые могут распадаться немного. Самые известные из них 235 U и 239 Pu. Это тяжелые ядра с большим количеством протонов. Положительно заряженные протоны видштовшуються по закону Кулона, и на характерных для ядра расстояниях порядка 1 фемтометра это видштовухування очень сильное. Однако протоны удерживаются в составе ядра благодаря сильной взаимодействия между собой и нейтронами. Однако сильное взаимодействие обладает свойством насыщения: один нуклон не может взаимодействовать одновременно со всеми другими, а кулоновское отталкивание такого ограничения нет. В результате, с ростом числа протонов в ядре его стабильность падает. Средняя энергия связи между нуклонами уменьшается по сравнению с ядрами атомов с середины периодической таблицы. Это явление носит название дефекта массы.
Таким образом создается ситуация, когда та же число нуклонов имела бы меньшую энергию, если бы они были сгруппированы в два ядра со средней массой, а не одно тяжелое. То есть, состояние тяжелого ядра является возбужденным квантовым состоянием. Возбужденные состояния не могут существовать вечно, и рано или поздно происходит ядерная реакция, при которой ядро переходит в стабильнее. Есть несколько каналов таких реакции: бета-распад, альфа-распад и деление. Лишь у небольшого числа ядер деление имеет наибольшую вероятность.
Распределение продуктов деления 235 U по массе Спонтанный, т.е. непроизвольный, ничем не обусловлен, деление ядра – редкое событие. Время жизни 235 U составляет 700 тыс. лет. 239 Pu имеет время жизни всего 24 тыс. лет, но для него вероятнее каналом распада являются альфа-распад. Гораздо чаще разделение происходит при столкновении с якоють другой частицей, например, нейтроном.
При поглощении нейтрона ядро начинает сильно деформироваться, вытягиваться, истончаться посередине, образуя тонкую шейку посередине с двумя шарами на концах, а затем две пули, которые становятся ядрами легких элементов, разлетаются с огромной скоростью в разные стороны. Часто при этом в разные стороны летят также другие осколки и щепки: альфа-частицы, нейтроны, гамма-кванты.
Продукты деления заранее определить невозможно. С большей или меньшей вероятностью образуются различные атомы с середины периодической таблицы. Многие из них являются радиоактивными. Со временем радиоактивные продукты реакции распадаются, довольно часто проходит ряд распадов прежде, чем образуется стабильное ядро. При примерно равном разделении образуются два ядра с массами около 115 а.е.м.. Благоприятное неравный разделение, при котором одно из ядер имеет массу около 90 а.е.м., а остальное – около 140 а.е.м. Диаграмма распределения продуктов распада по массе показана на рисунке справа.
При распаде ядра урана на два ядра выделяется энергия ~ 200 МэВ. С этой энергии большая часть приходится на кинетическую энергию дочерних ядер, разлетающихся со скоростью, которая составляет 3% от скорости света. Вылетающих из ядра также 2-3 нейтроны с энергией около 2 МэВ каждый.
Схематическое изображение цепной реакции При делении ядер выделяются нейтроны. Их количество зависит от конкретного сценария разделения. Обычно выделяется 2-3 нейтроны. Эти нейтроны могут увлечься другими еще неразделенными ядрами, и вызвать их деление, при котором же снова выделяются новые нейтроны. Такая реакция называется цепной. Цепная реакция характеризуется коэффициентом размножения нейтронов. Он зависит не только от количества нейтронов, выделяющихся при каждом акте деления, а от потерь нейтронов: часть нейтронов вылетает за пределы области, где происходит реакция и есть склонные к делению ядра, другая часть поглощается ядрами других химических элементов и не вызывает реакций деления. Если коэффициент размножения больше единицы, возникает взрыв. Такой сценарий используется в атомных бомбах. Если коэффициент размножения строго равна единице, то реакция протекает стабильно. Такой сценарий используется в ядерных реакторах.
Вероятность поглощения нейтрона ядром зависит от энергии нейтрона. Для 235 U она возрастает при уменьшении скорости нейтронов. Поэтому в ядерных реаторах используются замедлители нейтронов. Поскольку важнейшие для реакции деления тепловые нейтроны, то коэффициент размножения нейтронов зависит от температуры в ядерном реакторе. Для управления реакцией в реактор вводят (или выводят) вещества, способные поглощать нейтроны, таким образом уменьшая (или увеличивая) их поток.
Деление ядра урана был открыт в 1934 году Отто Ганом За это открытие он получил Нобелевскую премию по химии в 1944 году. Облучая уран нейтронами, Ган неожиданно обнаружил, что одним из продуктов деления намного легче барий. Правильную интерпретацию этом странном явлению дали только через несколько лет и результат был опубликован в 1939-м. К тому времени вывод о разделении ядра уже нашел подтверждение в эксперименте Отто Фриша и Лизы Мейтнер. Фредерик Жолио-Кюри с сотрудниками установили, что при делении урана выделяются нейтроны, что открыло перспективы проведения цепной реакции. Таким образом открывался путь к использованию ядерной энергии. Это открытие изменило ход истории, дало новое мощный источник энергии, привело к появлению ядерного оружия, к гонке вооружений и, в общем, к относительному миру в мире на протяжении второй половины 20-го века.