Ядерная физика - Курс лекций МГУ / ядернаяфизика_12
.pdfДЕЛЕНИЕЯДЕР
Деление ядер. История
1934 г. — Э. Ферми, облучая уран тепловыми нейтронами, обнаружил среди продуктов реакции радиоактивные ядра.
1939 г. — О. Ган и Ф. Штрассман обнаружили среди продуктов реакций барий.
Л. Мейтнер и О. Фриш впервые объявили, что под действием нейтронов происходило деление урана.
Н. Бор и Дж. Уилер дали количественную интерпретацию деления ядра, введя параметр деления.
Я. Френкель развил капельную теорию деления ядер медленными нейтронами.
Л. Сцилард, Э. Вигнер, Э. Ферми, Дж. Уилер, Ф.Жолио-Кюри, Я.Зельдович, Ю.Харитон обосновали возможность протекания в уране цепной ядерной реакции деления.
Сцилард в 1934 г. Выдвинул идею цепной ядерной реакции.
1940 г. — Г. Флеров и К. Петржак открыли явление спонтанного деления ядер 235U.
Делениеатомныхядер
Делением атомных ядер называют их распад на два осколка сравнимой массы. Деление может быть самопроизвольным (спонтанным) или вынужденным (вызванным взаимодействием с налетающей частицей). Деление энергетически выгодно для тяжёлых ядер. Как правило, периоды полураспада по каналу спонтанного деления намного превышают периоды полураспада по каналу α-распада. Так, например, в случае изотопа
238 U период полураспада по каналу спонтанного деления составляет ~ 5,9 1015 лет. Т.е. за 1 час в 1 г
изотопа 238 U происходит ~ 35 распадов. Лишь в
случае самых тяжелых ядер периоды полураспада по каналам спонтанного деления могут превосходить соответствующие периоды полураспада с испусканием α-частиц.
Делениеатомныхядер |
||||
|
|
|
|
|
|
Период |
|
|
|
|
|
Период |
|
|
|
полураспада |
|
|
|
Ядро |
|
полураспада |
|
|
по каналу |
|
|
||
|
по каналу |
|
||
|
спонтанного |
|
|
|
|
|
α-распада |
|
|
|
деления |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
23290Th |
1,3 1018 лет |
|
|
|
|
1,41 1010 лет |
|
||
|
|
|
|
|
23592 U |
1,9 1017 лет |
|
|
|
|
7,1 108 лет |
|
||
|
|
|
|
|
23892 U |
5,9 1015 лет |
|
|
|
|
4,5 109 лет |
|
||
|
|
|
|
|
23894 Pu |
4,9 1010 лет |
|
|
|
|
89,6 лет |
|
||
|
|
|
||
|
|
|
|
|
23994 Pu |
5,5 1015 лет |
|
|
|
|
24,3 103 лет |
|
||
|
|
|
|
|
24094 Pu |
1,3 1011 лет |
|
|
|
|
6,6 103 лет |
|
||
|
|
|
|
|
24294 Pu |
|
|
|
|
7 1010 лет |
|
3,5 105 лет |
|
|
|
|
|
|
|
24195 Am |
2,3 1014 лет |
|
|
|
|
432,6 лет |
|
||
|
|
|
||
|
|
|
|
|
В случае самых тяжелых ядер периоды их полураспада по каналу спонтанного деления намного превышают соответствующие периоды полураспада с испусканием α-частиц.
Спонтанноеделениеядер
Периоды полураспада спонтанно делящихся изотопов Z=92…100
Деление ядер
Нобелевская премия по химии
1944 г. — О. Ган.
За открытие реакции деления ядер урана нейтронами.
Механизмделения
В процессе деления форма ядра изменяется, последовательно проходя несколько стадий — шар → эллипсоид → гантель → два грушевидных осколка → два сферических осколка.
Изменение энергии ядра в процессе деления определяется изменением суммы поверхностной и кулоновской энергий Eпов + Eкул начального ядра.
Изменение поверхностной Eпов и кулоновской Eкул энергий исходного сферически симметричного
ядра зависит от величины параметра деформации ε
Eпов = Eпов(1+ 52 ε2 )
Eкул = Eкул(1− 15 ε2 )
Механизмделения
В случае эллипсоидальной деформации исходного сферически симметричного ядра радиуса R происходит изменение поверхностной Eпов и кулоновской Eкул энергий исходного ядра. Исходя из условия несжимаемости ядерной материи и условия, что объем ядра не изменяется в результате малых деформаций ε , оси ядерного
эллипсоида удовлетворяют соотношениям:
большая ось
a = R(1+ε) ,
малая ось
|
|
|
b = |
|
R |
|
|
|
|
|
1+ε |
||||
|
|
|
|
||||
V |
эллипсоид |
= 4 πab2 |
= 4 π R3 =V |
||||
|
3 |
|
3 |
|
сфера |
||
|
|
|
|
|
|||
Поверхностная Eпов и кулоновская Eкул энергии в |
|||||||
случае малых деформаций |
2 ε2 ) |
||||||
|
Eпов |
= Eпов |
(1+ |
||||
|
|
|
|
|
|
5 |
|
|
Eкул |
= Eкул |
(1− |
1 ε2 ) |
|||
|
|
|
|
|
|
5 |
Энергия
деления
Энергия деления
При делении тяжёлых ядер выделяется энергия, что следует из зависимости удельной энергии связи ε = W(A, Z)/А от массового числа A. При делении тяжёлого ядра образуются более лёгкие ядра, в которых нуклоны связаны
сильнее, |
поэтому |
часть |
энергии |
высвобождается. |
При |
этом |
|
энерговыделение составляет |
величину |
≈1 МэВ на один нуклон делящегося ядра,
что на много порядков превосходит энерговыделение всех других освоенных источников энергии. Если разделить ядро с A = 240 (ε ≈ 7.6 МэВ) на два осколка равной массы А1 = А2 = 120 (ε1 ≈ 8.5 МэВ),
то освободится энергия
Qf = А(ε1 – ε) =
= 240 (8.5 – 7.6) МэВ ≈ 220 МэВ.