1.Ділення атомних ядер. Ланцюгові реакції.

Поділ ядра - ядерна реакція, при якій ядро важкого елементу розпадається на менші ядра, часто виділяючи при цьому гамма-кванти й вільні нейтрони.

Поділ ядра - екзотермічна реакція. Виділене при поділі тепло набагато перевищує характерні енергії хімічних реакцій. Тому поділ використовується в ядерній енергетиці, а також у військовій справі для створення атомних бомб.

Поділ слід відрізняти від реакцій радіоактивного розпаду, при яких виділяються гамма-кванти, альфа- і бета-частинки, а маса ядра та його атомний номер змінюються незначно, або зовсім не змінюються. При поділі первинне ядро розпадається на великі шматки і як наслідок виникають відносно важкі ядра із середини періодичної таблиці.

Причина розпаду ядер

Ядер, які можуть розпадатися небагато. Найвідоміші з них 235U і 239Pu. Це важкі ядра із великою кількістю протонів. Позитивно заряджені протони відштовшуються за законом Кулона, і на характерних для ядра віддалях порядку 1 фемтометра це відштовухування дуже сильне. Проте протони утримуються в складі ядра завдяки сильній взаємодії між собою й нейтронами. Однак сильна взаємодія має властивість насичення: один нуклон не може взаємодіяти водночас з усіма іншими, а кулонівське відштовхування такого обмеження не має. В результаті, з ростом числа протонів у ядрі його стабільність падає. Середня енергія зв'язку між нуклонами зменшується в порівнянні з ядрами атомів із середини періодичної таблиці. Це явище носить назву дефекта маси.

Таким чином створюється ситуація, коли та сама кількість нуклонів мала б меншу енергію, якби вони були згруповані у два ядра із середньою масою, а не одне важке. Тобто, стан важкого ядра є збудженим квантовим станом. Збуджені стани не можуть існувати вічно, й рано чи пізно відбувається ядерна реакція, при якій ядро переходить в стабільніше. Є кілька каналів таких реакції: бета-розпад, альфа-розпад і поділ. Лише в невеликого числа ядер поділ має найбільшу ймовірність

Протікання реакції

Спонтанний, тобто мимовільний, нічим не зумовлений, поділ ядра - рідкісна подія. Час життя 235U складає 700 тис. років. 239Pu має час життя всього 24 тис. років, але для нього наймовірнішим каналом розпаду є альфа-розпад. Набагато частіше поділ відбувається при зіткненні із якоють іншою частинкою, наприклад, нейтроном.

При поглинанні нейтрона ядро починає сильно деформуватися, витягатися, тоншати посередині, утворюючи тонку шийку посередині з двома кулями на кінцях, а потім дві кулі, які стають ядрами легших елементів, розлітаються з величезною швидкістю в різні боки. Часто при цьому в різні боки летять також інші осколки й друзки: альфа-частинки, нейтрони, гамма-кванти.

Продукти поділу наперед визначити неможливо. З більшою або меншою ймовірністю утворюються різні атоми з середини періодичної таблиці. Багато з них є радіоактивними. З часом радіоактивні продукти реакції розпадаються, доволі часто проходить низка розпадів перш, ніж утвориться стабільне ядро. При приблизно рівному поділі утворюються два ядра з масами близько 115 а.о.м.. Найсприятливіший нерівний поділ, при якому одне з ядер має масу близько 90 а.о.м., а інше — близько 140 а.о.м. Діаграма розподілу продуктів розпаду за масою показана на рисунку праворуч.

При розпаді ядра урану на два ядра виділяється енергія ~200 МеВ. З цієї енергії більша частина припадає на кінетичну енергію дочірніх ядер, що розлітаються зі швидкістю, яка складає 3% від швидкості світла. Вилітають з ядра також 2-3 нейтрони з енергією біля 2 МеВ кожен.

Ланцюгова реакція

При поділі ядер виділяються нейтрони. Їхня кількість залежить від конкретного сценарію поділу. Зазвичай виділяється 2-3 нейтрони. Ці нейтрони можуть захопитися іншими ще неподіленими ядрами, й викликати їхній поділ, при якому ж знову виділяються нові нейтрони. Така реакція називається ланцюговою. Ланцюгова реакція характеризується коефіцієнтом розмноження нейтронів. Він залежить не тільки від кількості нейтронів, що виділяються при кожному акті поділу, а від втрат нейтронів: частина нейтронів вилітає за межі області, де відбувається реакція і є схильні до поділу ядра, інша частина поглинається ядрами інших хімічних елементів і не викликає реакцій поділу. Якщо коефіцієнт розмноження більший за одиницю, виникає вибух. Такий сценарій використовується в атомних бомбах. Якщо коефіцієнт розмноження строго дорівнює одиниці, то реакція протікає стабільно. Такий сценарій використовується в ядерних реакторах.

Ймовірність поглинання нейтрона ядром залежить від енергії нейтрона. Для 235U вона зростає при зменшенні швидкості нейтронів. Тому в ядерних реаторах використовуються сповільнювачі нейтронів. Оскільки найважливіші для реакції поділу теплові нейтрони, то коефіцієнт розмноження нейтронів залежить від температури в ядерному реакторі. Для управління реакцією в реактор вводять (або виводять) речовини, здатні поглинати нейтрони, таким чином зменшуючи (або збільшуючи) їхній потік.

Історія відкриття

Поділ ядра урану був відкритий в 1934 році Отто Ганом [1] За це відкриття він отримав Нобелівську премію з хімії в 1944 році. Опромінюючи уран нейтронами, Ган несподівано виявив, що одним із продуктів поділу є набагато легший барій. Правильну інтерпретацію цьому дивному явищу дали тільки через кілька років і результат було опубліковано в 1939-му. На той час висновок про поділ ядра вже знайшов підтвердження в експерименті Отто Фріша та Лізи Мейтнер [2]. Фредерік Жоліо-Кюрі із співробітниками встановили, що при поділі урану виділяються нейтрони, що відкрило перспективи проведення ланцюгової реакції. Таким чином відкривався шлях до використання ядерної енергії. Це відкриття змінило хід історії, дало нове потужне джерело енергії, призвело до появи ядерної зброї, до гонки озброєнь і, загалом, до відносного миру в світі впродовж другої половини 20-го століття.