Деление ядер

Бомбардируя ядра урана медленным нейтронами, немецкие физики Ган и Штрассман обнаружили появление элементов средней части периодической системы: бария, криптона, стронция, рубидия, цезия и т. д. Так было открыто деление ядер урана.

На рис. 1 мы видим процесс деления ядра. Захватывая нейтрон, ядро урана делится на два осколка, и при этом освобождаются два-три нейтрона.

Рисунок 1. Деление ядра урана

Осколки являются ядрами радиоактивных изотопов элементов середины таблицы Менделеева. Один из осколков всегда больше другого. Например, при бомбардировке урана 92235�92235​U могут встречаться такие комбинации осколков (как говорят, реакция идёт по следующим каналам).

• Барий и криптон:92235�+01�→56144��+3689��+301�92235​U+01​n→56144​Ba+3689​Kr+301​n

• Цезий и рубидий:92235�+01�→55140��+3794��+201�92235​U+01​n→55140​Cs+3794​Rb+201​n

• Ксенон и стронций:92235�+01�→54140��+3894��+201�92235​U+01​n→54140​Xe+3894​Sr+201​n

Вообще, известно около 50 каналов распада ядра урана 92235�92235​U. В каждой из этих реакций выделяется очень большая энергия — порядка 200 МэВ.Откуда берётся такое количество энергии?

Основная причина состоит в том, что из-за наличия большого числа протонов — а их в ядре урана упаковано 92 штуки — кулоновские силы отталкивания, распирающие ядро, очень велики. Ядерные силы пока ещё в состоянии удерживать ядро от распада, но могучий кулоновский фактор готов сказать своё слово в любой момент.

И такой момент настаёт, когда в ядре застревает нейтрон (рис.2).

Рис. 2. Деформация, колебания и разрыв ядра

Застрявший нейтрон вызывает деформацию ядра и колебания его формы. Эти колебания могут стать столь интенсивными, что ядро вытянется в «гантельку». Между половинками гантельки образуется тонкий перешеек из небольшого числа нуклонов.

Получается, что силам электрического отталкивания половинок гантельки противостоят короткодействующие ядерные силы, скрепляющие нуклоны перешейка. Чем тоньше становится перешеек, тем меньше в нём оказывается нуколонов, и тем слабее будет действие ядерных сил. В конце концов перешеек не выдержит, и ядро разорвётся.

Осколки ядра разлетаюттся с огромной скоростью — около 1/30 скорости света. Они и уносят б´ольшую часть энергии, высвобождающейся при делении ядра.

Появление двух-трёх свободных нейтронов — характерная черта деления ядра урана. Чем объясняется их неизменное присутствие в каждом канале деления?

Дело в том, что по мере движения от конца таблицы Менделеева к её началу отношение N/A числа нейтронов к числу нуклонов в стабильных ядрах уменьшается. Возьмём в качестве примера уран и продукты его деления — барий и криптон (стабильные ядра).

• Для урана 92235�92235​U имеем N/A = 143/235 = 0,61;

• Для бария 56144��56144​Ba имеем N/A = 81/137 = 0,59;

• Для криптона 3689��3689​Kr имеем N/A = 48/84 = 0,57.

Поэтому при делении тяжёлого ядра возникают «лишние» нейтроны, часть которых и освобождается в качестве продуктов реакции. Другая часть лишних нейтронов остаётся в ядрахосколках, делая их радиоактивными. Осколки дают начало целым цепочкам β-распадов, последовательно уменьшающих отношение N/A. Например:

54140��→55�140��→56�144��→57�140��→58�140��54140​Xe→55β140​Cs→56β144​Ba→57β140​La→58β140​Ce

(концом этой цепочки является стабильное ядро изотопа церия). В ядерной энергетике такие цепочки распадов продуктов деления тяжёлых ядер создают серьёзную экологическую проблему ликвидации радиоактивных отходов.

Деление тяжёлых ядер можно истолковать с точки зрения уже известного нам графика зависимости удельной энергии связи ядра от его массового числа (рис. 3).

Рис.3. Деление тяжёлых ядер энергетически выгодно

Цветом выделена область 50≤�≤9050≤A≤90, в которой удельная энергия связи достигает наибольшего значения 8,7 МэВ/нуклон. Это область наиболее устойчивых ядер. Справа от этой области удельная энергия связи плавно уменьшается до 7,6 МэВ/нуклон у ядра урана.

Процесс превращения менее устойчивых ядер в более устойчивые является энергетически выгодным и сопровождается выделением энергии. При делении ядра урана, как видим, удельная энергия связи повышается примерно на 1 МэВ/нуклон; эта энергия как раз и выделяется в процессе деления. Умножив это на число нуклонов в ядре урана, получим приблизительно те самые 200 МэВ энергетического выхода, о которых говорилось выше.