Дзяленне ядра

З пляцоўкі Вікіпедыя
Jump to navigation Jump to search
Ядзерная фізіка
CNO Cycle-ru.svg
Атамнае ядро · Радыеактыўны распад · Ядзерная рэакцыя · Тэрмаядзерная рэакцыя
Гл. таксама «Фізічны партал»
Распад урана-235

Дзяле́нне ядра́ — працэс расшчаплення атамнага ядра на два (радзей тры) ядры з блізкімі масамі, якія называюцца асколкамі дзялення. У выніку дзялення могуць узнікаць і іншыя прадукты рэакцыі: лёгкія ядры (у асноўным альфа-часціцы), нейтроны і гама-кванты. Дзяленне бывае спантанным (самаадвольным) і вымушаным (у выніку ўзаемадзеяння з іншымі часціцамі, найперш, з нейтронамі). Дзяленне цяжкіх ядраў — экзатэрмічны працэс, у выніку якога вызваляецца вялікая колькасць энергіі ў выглядзе кінетычнай энергіі прадуктаў рэакцыі, а таксама выпраменьвання. Дзяленне ядраў служыць крыніцай энергіі ў ядзерных рэактарах і ядзернай зброі.

Кароткая гісторыя адкрыцця[правіць | правіць зыходнік]

Ота Ган і Ліза Майтнер ў лабараторыі, 1925 год.

Амаль адразу пасля адкрыцця нейтрона ў 1932 годзе Джэймсам Чэдвікам пачаліся даследаванні іх узаемадзеяння з ядрамі. У гэтым жа годзе ў ЗША Эрнест Лоўрэнс запусціў першы цыклатрон, а ў Англіі Джон Кокрафт і Эрнест Уолтон пабудавалі першы паскаральнік пратонаў, здольны расшчапляць ядры.

У бліжэйшыя гады некалькімі навукоўцамі — Нільсам Борам, Якавам Фрэнкелем і Джонам Уілерам былі распрацаваны найважнейшыя тэарэтычныя мадэлі — кропельная мадэль ядра і састаўное ядро, якія ўшчыльную наблізілі іх да адкрыцця дзялення. У 1934 годзе Ірэн Кюры і Фрэдэрыкам Жаліё была адкрыта штучная радыеактыўнасць, якая стала сур'ёзным штуршком на шляху да адкрыцця. У гэты ж час Энрыка Фермі з супрацоўнікамі апраменьвалі розныя элементы пучком нейтронаў. Сярод гэтых элементаў яны даследавалі і уран — самы цяжкі з існуючых у прыродзе элементаў. Вывады, якія зрабіў Фермі са сваіх эксперыментаў, былі зведзены ім да адкрыцця трансуранавых элементаў і таксама не прывялі да разгадкі рэакцыі дзялення, бо далейшыя вынікі эксперыментаў для Фермі сталі незразумелымі і нечаканымі.

Толькі праз 5 гадоў, у 1939 годзе Ота Ганам і Фрыцам Штрасманам быў адкрыты працэс дзялення ядраў. Гэтыя навукоўцы вырашылі праверыць невытлумачальныя вынікі вопытаў, якія ажыццявілі ў Парыжы Ірэн Кюры і Павел Савіч[1]. Пасля апрамянення ўрану павольнымі нейтронамі нямецкія фізікі вылучылі радыеактыўны прадукт, які выпаў у асадак пры хімічнай рэакцыі на барый. Спачатку яны выказалі здагадку, што выдзелены элемент — ізатоп радыю, хімічна роднаснага з барыем, аднак далейшыя даследаванні прывялі іх да заключэння, што выдзелены прадукт з'яўляецца барыем, а не больш цяжкім элементам з аналагічнымі ўласцівасцямі. Гэтая гіпотэза, апублікаваная ў артыкуле «Аб доказе ўзнікнення шчолачназямельных металаў пры апрамяненні ўрану нейтронамі і іх уласцівасцях»[2], утрымлівала рэвалюцыйнае заключэнне, што апрамяненне ядра ўрану (Z=92) нейтронамі можа прывесці да ўтварэння ядра з масай, прыкладна ў 2 разы меншай за першапачатковую (для барыю Z=56).

Неўзабаве пасля гэтага Ота Фрыш і Лізэ Майтнер далі фізічнае тлумачэнне працэсу дзялення ядра ўрану, пра што Фрыш неадкладна паведаміў Бору. У скора апублікаваным артыкуле[3] Фрыш і Майтнер упершыню ўжылі тэрмін «дзяленне» (англ.: fission), падказаны Фрышу амерыканскім біёлагам Арнальдам.

Тым часам Бор на знакамітай канферэнцыі па тэарэтычнай фізіцы ў Вашынгтоне 26 студзеня 1939 г. абвясціў аб адкрыцці дзялення ўрану. Не чакаючы канца даклада, фізікі адзін за адным пачалі пакідаць пасяджэнне, каб праверыць паведамленне ў сваіх лабараторыях.

Летам 1939 года Бор і Уілер прадставілі артыкул «Механізм дзялення ядзер»[4], у якой было дадзена тлумачэнне механізму дзялення ядра на аснове кропельнай мадэлі ядра. Гэтая мадэль, якая магла б прадказаць дзяленне ядзер, пачала актыўна працаваць пры тлумачэнні яго механізму[5][6][7][8].

Асколкі дзялення[правіць | правіць зыходнік]

Пры дзяленні 235U цеплавымі нейтронамі ўтвараецца каля 30 розных пар асколкаў, пераважна няроўнай масы. Самы лёгкі з іх мае масавы лік 72, самы цяжкі — 161. Найбольш імаверна дзяленне на асколкі з адносінай мас 3/2. Выхад такіх асколкаў дасягае прыкладна 6 %, у той час як асколкаў з роўнымі масамі — прыкладна 10−2%. Такі характар ​​размеркавання асколкаў па масах назіраецца для ўсіх нуклідаў, якія дзеляцца, як пры спантанным дзяленні, так і пры дзяленні ўзбуджаных састаўных ядзер незалежна ад віду часціц, якія бамбардзіруюць зыходныя ядры. Крывыя выхаду асколкаў дзялення слаба адрозніваюцца для розных ядзер, якія дзеляцца, гэта кажа пра тое, што асіметрыя ў размеркаванні асколкаў уласцівая самому механізму дзялення ядзер.

Такая асіметрычнасць дзялення асколкаў супярэчыць прадказанням кропельнай мадэлі ядра, бо бесструктурная кропля з найбольшай імавернасцю павінна дзяліцца якраз на дзве роўныя часткі. Дзяленне на няроўныя часткі тлумачыцца ў рамках абалоначнай мадэлі ядра як вынік пераважнага ўтварэння ядзер з запоўненымі абалонкамі, якія змяшчаюць 50 і 82 нейтронаў (магічныя лікі). Аднак асіметрыя дзялення памяншаецца пры павелічэнні энергіі ўзбуджэння дзялімага ядра і пры вялікіх яе значэннях знікае. Напрыклад, у выпадку дзялення 235U цеплавымі нейтронамі імавернасць сіметрычнага дзялення складае прыкладна 0,01 %, нейтронамі з энергіяй 14 МэВ каля 1 %, а пры энергіі нейтрона больш за 100 МэВ размеркаванне асколкаў дзялення па масах мае адзін максімум, адпаведны сіметрычнаму дзяленню ядра. Такая тэндэнцыя знаходзіцца ў згодзе з уяўленнямі аб прымянімасці ядзерных мадэлей[9][10].

Прадукты дзялення[правіць | правіць зыходнік]

Масавы лік прадуктаў дзялення, як правіла, не змяняецца ў працэсе β - ператварэнняў, таму выхад асколка дзялення з вызначаным масавым лікам можна разглядаць і як выхад ўсіх прадуктаў дзялення з тым жа масавым лікам. Такім чынам, сярод прадуктаў дзялення знаходзяцца ў асноўным атамы з масавымі лікамі ядраў у інтэрвалах 90-105 і 130-145.

Склад прадуктаў дзялення ў агульным выпадку пастаянна змяняецца, аднак калі працэс дзялення працягваецца досыць доўга з пастаяннай хуткасцю, то ў большасці ланцужкоў β - распаду дасягаецца раўнавагу і хімічны склад прадуктаў дзялення становіцца нязменным. Кожны элемент пры гэтым прадстаўлены шматлікімі ізатопамі з розных ланцужкоў. У стане раўнавагі з усіх прадуктаў дзялення прыкладна:

25% -рэдказямельныя элементы,

15% - цырконій,

12% - малібдэн,

6,5% - цэзій,

16% - высакародныя газы (ксенон і крыптон).

Колькасць прадуктаў дзялення прыкладна ў 2 разы перавышае колькасць разделівшіхся ядраў. Бо памеры ўсіх атамаў прыблізна аднолькавыя, то прадукты дзялення займаюць большы аб'ём, чым атамы дзеліцца матэрыялу, што прыводзіць да радыяцыйнага распуханию ядзернага паліва, то ёсць адукацыю ў ім часу, запоўненых газападобнымі прадуктамі дзялення або рост яго аб'ёму[11][12].

Зноскі[правіць | правіць зыходнік]

  1. Irene Joliot-Curie, and Pavel Savitch (1938). "On the Nature of a Radioactive Element with 3.5-Hour Half-Life Produced in the Neutron Irradiation of Uranium". Comptes Rendus 208 (906): 1643. 
  2. O. Hahn, F. Strassmann Über den Nachweis und das Verhalten der bei der Bestrahlung des Urans mittels Neutronen entstehenden Erdalkalimetalle // Naturwissenschaften. — 1939. — Т. 27. — № 1. — С. 11−15.
  3. Lise Meitner, O. R. Frisch Disintegration of Uranium by Neutrons: a New Type of Nuclear Reaction // Nature. — 1939. — Т. 143. — № 3615. — С. 239−240.
  4. Bohr, Wheeler, 1939
  5. О. Фриш, Дж. Уилер Открытие деления ядер (руск.)  // УФН. — 1968. — Т. 96. — С. 700—707.
  6. П.С.Кудрявцев Курс истории физики — Москва: Просвещение, 1982. — С. 73.
  7. I.R.Cameron, University of New Brunswick Nuclear fission reactors — Canada, New Brunswick: Plenum Press, 1982.
  8. Камерон, 1987, с. 43
  9. Бать и др., 1982, с. 70—71
  10. Климов, 1985, с. 114—118
  11. Бать и др., 1982
  12. Климов, 1985

Літаратура[правіць | правіць зыходнік]

Спасылкі[правіць | правіць зыходнік]