Geum.ru

«Ядерные превращения. Деление ядер»

Вид материалаРеферат
Деление ядер
Механизм деления
Подобный материал:
1   2   3   4   5   6   7

Деление ядер


Делением называется реакция расщепления атомного ядра (обычно тяжелого) на две (иногда на три) примерно равные по массе части (осколки деления).


Тяжелые ядра (Z≥ 90) делятся как после слабого предварительного возбуждения атомного ядра, например, в результате облучения его нейтронами с энергией Tn ≈ 1 Мэв, а для некоторых ядер даже тепловыми нейтронами (вынужденное деление), так и без предварительного возбуждения, т. е. самопроизвольно (спонтанное деление).

Ядра с Z < 90 делятся только вынужденным способом (точнее говоря, они имеют слишком большой период полураспада спонтанного деления), причем энергия возбуждения, необходимая для деления, растет с уменьшением параметра деления Z2/A. Вынужденное деление происходит практически мгновенно (τ ≈ 10-14 сек). Период полураспада для спонтанного деления меняется для разных ядер в очень широких пределах (от 1018 лет до нескольких десятых долей секунды для далеких трансурановых элементов).

В процессе деления ядра освобождается энергия Q ≈ 200 Мэв, значительную часть которой (~170 Мэв) уносят осколки в форме кинетической энергии. Осколки, образующиеся при делении, сильно перегружены нейтронами, вследствие чего они дают начало β--радиоактивным цепочкам из продуктов деления, а также испускают мгновенные (2—3 на один акт деления 92U) и запаздывающие (~ 1% мгновенных) нейтроны. В опытах по определению числа вторичных нейтронов, испускаемых в процессе вынужденного и спонтанного деления, было получено приближенное значение этого числа ν, равное (для обоих случаев) ν = 2,2 ± 0,3.

Мгновенные нейтроны испускаются движущимися осколками, запаздывающие - остановившимися продуктами деления поле предварительного β--распада. Спектр мгновенных нейтронов деления непрерывный, а запаздывающие нейтроны образуют несколько моноэнергетических групп.

Вынужденное деление слабо возбужденных ядер и спонтанное деление происходят не симметрично: отношение масс легкого и тяжелого осколков равно примерно 2/3 (двугорбая массовая кривая). При повышении энергии возбуждения деление постепенно симметризуется, и кривая распределения осколков по массам становится одногорбой.

Основные свойства процесса деления могут быть объяснены при помощи капельной модели ядра, которая позволяет вычислить Q, понять роль параметра деления и объяснить природу спонтанного деления.

Величина Q вычисляется как разность масс (энергий) исходного ядра и осколков, выраженных с помощью полуэмпирической формулы Вейцзеккера. Вычисление показывает, что деление энергетически выгодно (Q > 0) при Z2/A > 17 (т. е. при Z > 47), причем Q растет с ростом Z2/A. Из более подробного анализа следует, что в процессе деформации, предшествующей делению, энергия ядра должна первоначально возрастать и только после этого убывать (энергетический барьер деления). Высота барьера деления убывает с ростом Z2/A и при Z2/A = 45÷49 становится равной нулю (Z ≈ 120). Вынужденное деление возможно только при предварительном возбуждении ядра на энергию, превышающую высоту барьера деления. Спонтанное деление происходит в механизме туннельного перехода. При Z ≈ 120 спонтанное деление должно происходить мгновенно (за ядерное время).

Обратим внимание на то, что в этом отличии энергетической выгодности и энергетической возможности процесса нет ничего удивительного. Так, например, α-распад тяжелых ядер периодической системы всегда энергетически выгоден, однако из-за кулоновского барьера он оказывается энергетически невозможным в классической физике. Существование α-распада удается объяснить только при помощи квантово-механического эффекта прохождения α-частиц через потенциальный барьер. При этом из-за малой прозрачности потенциального барьера время жизни ядра относительно α-распада оказывается очень большим.

Деление ядер может происходить многими путями. Всего при делении образуется около 80 радиоактивных различных ядер-осколков, которые в процессе β-распада преобразуются в другие ядра — продукты деления. В настоящее время хорошо изучено примерно 60 цепочек, в составе которых обнаружено около 200 продуктов деления. Таким образом, средняя длина цепочки составляет 3—4 звена. В процессе последовательных β-переходов заряд первичного осколка может изменяться на 4 — 6 единиц (возможно, и больше, так как трудно регистрировать начальные участки цепочек из-за очень малых периодов полураспада).

Учитывая, что в разных случаях цепочки превращений имеют различную длину, и что при делении образуются два осколка, можно оценить среднее число электронов и антинейтрино, испускающихся на один акт деления. Оно равно примерно шести. Кроме того, в процессе β-переходов осколков и продуктов деления должны испускаться γ-кванты, сопровождающие β-распад.

Периоды полураспада у различных продуктов деления очень сильно отличаются.

Механизм деления


Процесс деления может протекать только в том случае, когда потенциальная энергия начального состояния делящегося ядра превышает сумму масс осколков деления. Поскольку удельная энергия связи тяжёлых ядер уменьшается с увеличением их массы, это условие выполняется почти для всех ядер с массовым числом .

Однако, как показывает опыт, даже самые тяжёлые ядра делятся самопроизвольно с очень малой вероятностью. Это означает, что существует энергетический барьер (барьер деления), препятствующий делению. Для описания процесса деления ядер, включая вычисление барьера деления, используется несколько моделей, но ни одна из них не позволяет объяснить процесс полностью.


Взаимодействие, которое связывает нуклоны в ядре, определяется особыми, ядерными силами. Измерения показали, что хотя заряд ядра равен сумме зарядов входящих в него протонов, масса ядра несколько меньше суммы масс нуклонов. Куда же исчезла недостающая масса? Ответ следует из знаменитой формулы Эйнштейна, связывавшей энергию и массу, E=mc2, где с - скорость света.

Чтобы освободить нуклоны из ядра, необходимо затратить энергию, равную энергии связи Есв, которая удерживает их в ядре. И наоборот, при образовании ядра из свободных нуклонов должна выделиться та же энергия Есв. Но выделение энергии приводит к уменьшению массы ядра - дефекту массы:


M = Eсв/c2 = Zmp + Nmn - Mяд (Z, N) ,


где Мяд (Z, N) - масса ядра, имеющего Z протонов и N нейтронов, а mp и mn - массы протона и нейтрона.


Поскольку наибольший дефект массы наблюдается у ядер в середине таблицы Менделеева, возможно 2 типа экзотермических ядерных превращений. Первый - реакции деления тяжелых ядер на средние, когда под действием нейтрона из одного ядра изотопа урана U выделяется около 214 МэВ энергии. Из них примерно 12 МэВ уносят нейтрино, поэтому реально высвобождающаяся ядерная энергия составляет 0,85 МэВ на нуклон, или 2,2 107 кВт/кг. Это в 2 млн раз больше энергии, выделяющейся при сгорании 1 кг нефти. В конце XX в. 17% всей производимой в мире электроэнергии вырабатывали атомные электростанции, где реализуется первый тип реакций.

Второй тип - слияние двух легких ядер (например, двух ядер дейтерия D - в ядро гелия He). Избыточная масса сливающихся ядер также преобразуется в энергию. Эту реакцию называют термоядерной.

Неуправляемая реакция синтеза легких ядер была осуществлена при взрыве водородной бомбы, и вот уже приблизительно полстолетия физики работают над проблемой управляемого термоядерного синтеза.


Любой химический элемент однозначно определяется его атомным номером Z - числом протонов в ядре. Но нейтронов N может быть больше или меньше. Атомы (и ядра) элемента, различающиеся лишь массой ядра (т.е. числом нейтронов), называют изотопами. Они помечаются соответствующим числом А, задающим их атомную массу, т.е. числом нуклонов A=Z + N. Все изотопы элемента обладают одинаковыми химическими и почти одинаковыми физическими свойствами, поскольку структура электронных оболочек атома зависит от заряда ядра Z. Но при фиксированном Z свойства ядер с разными N, а значит, и А могут сильно различаться. Речь идет прежде всего об их устойчивости.

Существуют стабильные и нестабильные (радиоактивные) изотопы. Каждый нестабильный изотоп характеризуется своим периодом распада - временем, за которое самопроизвольно распадается половина исходного количества его ядер. Применяется и близкая к периоду полураспада величина - среднее время жизни изотопа.