1. Деление тяжелых ядер на несколько больших ядер

2. Слияние (синтез) легких ядер в одно ядро

Оба процесса должны проходить с выделением огромной энергии. Из графика видно, что существование ядер с массовым числом 50-60 является энергетически наиболее выгодным. Почему же тогда более тяжелые ядра самопроизвольно не распадаются. Дело в том, что процесс деления тяжелых ядер на несколько больших ядер должен пройти промежуточную стадию, сопровождающуюся поглощением энергии из вне, с последующим её выделением, т.е. нужна внешняя энергия и очень значительная. Без её наличия процесс деления происходить не может. (энергия активации за счет нейтронов – атомная бомба, реакторы). При слиянии легких ядер, например двух ядер водорода в одно ядро выделяется энергия 24 МэВ. [для сравнения, при сжигании угля (химическая реакция: образование С и О углекислого газа) выделяется энергия всего в 5 эВ (!!!)]. Для осуществления реакции синтеза ядер нужны огромные энергии, поскольку ядра необходимо сдвигать на расстояние ~10^-15м, преодолевая кулоновское отталкивание. Это возможно лишь при огромных скоростях движения ядер (Т~10⁸К) и на Земле только один путь – термоядерная реакция.

В 1919 году Резерфордом была осуществлена первая ядерная реакция: - доказано получением кислорода в баллоне.

Ядерные реакции. Деление ядер. Синтез ядер

Делением ядер называется процесс распада ядра на несколько частей. Образующиеся при делении части называются «осколками». В 1938 г. немецкие ученые Ган и Штрассман обнаружили, что при облучении урана нейтронами образуются Ba и La, то есть элементы из середины периодической таблицы Менделеева. 1930 г. Боте и Беккер – получили нейтроны (думали , что это γ -излучение), но в 1932 г. Д.Чэдвик показал, что это не γ-излучение, а поток тяжелых нейтральных частиц, которые он назвал нейтронами.

Деление может происходить различными путями, но наиболее вероятным является деление ядра на осколки, массы которых относятся как 2:3. Деление ядер сопровождается выделением большого количества энергии, т.к. энергия связи ядер средней массы больше энергии связи тяжелых ядер. При делении ядер освобождаются несколько нейтронов, что позволяет реакции деления ядер продолжаться самостоятельно (цепная реакция). В большинстве случаев осколки являются радиоактивными и претерпевают ряд β-превращений, сопровождающихся γ-излучением.

Медленными (тепловыми) нейтронами делятся ядра , а также (торий),

медленный нейтрон вторичные нейтроны

(протактиний) и (плутоний). Полученные искусственным путем изотопы ²³³U и ²³⁰Th также делятся тепловыми нейтронами.

Ядра ²³⁸U делятся только быстрыми нейтронами (с энергией не менее 1МэВ).

В природном уране цепная реакция не возникает, т.к. доля содержания ²³⁵U в нем очень мала (0,72%), а основную массу составляет ²³⁸U(99,27%) и возникающие во время деления ядер ²³⁵U нейтроны просто поглощаются ядрами ²³⁸U без деления ядер. Если же взять кусок чистого ²³⁵U, то цепная реакция возможна лишь для некоторой определенной массы ²³⁵U, называемой критической массой, при достижение которой начинается лавинообразное размножение нейтронов. Это дало возможность сделать атомную бомбу (неуправляемая ядерная реакция). Критическая масса в атомной бомбе разделена на две части и в нужный момент времени пороховым взрывом обе части объединяются в критическую массу, начинается самопроизвольная неуправляемая цепная реакция деления и происходит ядерный взрыв с выделением огромной энергии.

Осуществление управляемой ядерной реакции привело к созданию ядерных реакторов, в которых скорость ядерной реакции контролируется.

Ядерное горючее – природный обогащенный ²³⁵U уран. Для снижения скорости нейтронов, что предотвращает их захват ²³⁸U, осуществляется замедление нейтронов графитом, бериллием или дейтерием (ядро тяжелого водорода). Схема урано-графитового реактора:

1-графит – замедлитель нейтронов

2-блоки из урана (твелы) – ядерное горючее

3-стержни из кадмия или бора (хорошо поглощают нейтроны) – управление ядерной реакцией.

Первый ядерный реактор в Чикагском университете. Ферми в декабре 1942 г., а Курчатов – декабре 1946 г.