Деление на тежки ядра. енергия на делене

У дома

Канализация

Нека изчислим количеството енергия, освободено при деленето на тежко ядро. Заменете в (f.2) изразите за енергията на свързване на ядрата (f.1), като приемем A 1 = 240 и Z 1 = 90. Пренебрегвайки последния член в (f.1) поради неговата малка и замествайки стойностите на параметрите a 2 и a 3 , получаваме

От това получаваме, че деленето е енергийно благоприятно, когато Z 2 /A > 17. Стойността на Z 2 /A се нарича параметър на делимост. Енергията Е, освободена при делене, нараства с увеличаване на Z 2 /A; Z 2 /A = 17 за ядра в областта на итрий и цирконий. От получените оценки се вижда, че деленето е енергийно благоприятно за всички ядра с A > 90. Защо по-голямата част от ядрата е стабилна по отношение на спонтанното делене? За да отговорим на този въпрос, нека видим как се променя формата на ядрото по време на делене.

В процеса на делене ядрото последователно преминава през него следните етапи (фиг. 2): топка, елипсоид, дъмбел, два крушовидни фрагмента, два сферични фрагмента. Как се променя потенциалната енергия на ядрото на различни етапи на делене? След като деленето е осъществено и фрагментите са разделени един от друг на разстояние, много по-голямо от радиуса им, потенциалната енергия на фрагментите, определена от кулоновото взаимодействие между тях, може да се счита за равна на нула.

Нека разгледаме началния етап на делене, когато ядрото приема формата на все по-удължен елипсоид на въртене с увеличаване на r. На този етап на делене r е мярка за отклонението на ядрото от сферична форма (фиг. 3). Поради еволюцията на формата на ядрото, промяната в неговата потенциална енергия се определя от промяната в сумата на повърхностните и кулонови енергии E"n + E"k. Приема се, че обемът на ядрото остава непроменен по време на деформация. В този случай повърхностната енергия E "p се увеличава, тъй като повърхностната площ на ядрото се увеличава. Кулоновата енергия E" k намалява, тъй като средното разстояние между нуклоните се увеличава. Нека сферичната сърцевина, в резултат на лека деформация, характеризираща се с малък параметър, приеме формата на аксиално симетричен елипсоид. Може да се покаже, че повърхностната енергия E "p и кулоновата енергия E" k в зависимост от промяната, както следва:

В случай на малки елипсоидни деформации увеличаването на повърхностната енергия става по-бързо от намаляването на кулоновата енергия.
В областта на тежките ядра 2En > Ek, сумата от повърхностната и кулоновата енергия нараства с увеличаване. От (f.4) и (f.5) следва, че при малки елипсоидни деформации увеличаването на повърхностната енергия предотвратява по-нататъшни промени във формата на ядрото и следователно деленето. Изразът (f.5) е валиден за малки стойности (малки щамове). Ако деформацията е толкова голяма, че ядрото приема формата на дъмбел, тогава силите на повърхностното напрежение, подобно на силите на Кулон, са склонни да отделят ядрото и да придадат на фрагментите сферична форма. На този етап на делене увеличаването на напрежението е придружено от намаляване както на кулоновата, така и на повърхностната енергия. Тези. с постепенно увеличаване на деформацията на ядрото, неговата потенциална енергия преминава през максимум. Сега r има значението на разстоянието между центровете на бъдещи фрагменти. С отдалечаването на фрагментите един от друг потенциалната енергия на тяхното взаимодействие ще намалява, тъй като намалява енергията на кулоновото отблъскване E k. Зависимостта на потенциалната енергия от разстоянието между фрагментите е показана на фиг. 4. Нулевото ниво на потенциална енергия съответства на сумата от повърхностната и кулоновата енергия на два невзаимодействащи фрагмента.
Наличието на потенциална бариера предотвратява моментално спонтанно ядрено делене. За да може ядрото незабавно да се раздели, трябва да му бъде дадена енергия Q, която надвишава височината на бариерата H. Максималната потенциална енергия на делящото се ядро е приблизително равна на
e 2 Z 1 Z 2 /(R 1 +R 2), където R 1 и R 2 са радиусите на фрагментите. Например, когато златното ядро е разделено на два идентични фрагмента, e 2 Z 1 Z 2 / (R 1 + R 2) = 173 MeV, а количеството енергия E, освободено по време на делене () е 132 MeV. Така по време на деленето на златното ядро е необходимо да се преодолее потенциална бариера с височина около 40 MeV.
Височината на бариерата H е толкова по-голяма, колкото по-малко е съотношението на кулоновата и повърхностната енергия E към /E p в изходното ядро. Това съотношение от своя страна се увеличава с увеличаване на параметъра на делимост Z 2 /A (). Колкото по-тежка е сърцевината, толкова по-ниска е височината на преградата H , тъй като параметърът на делимост се увеличава с увеличаване на масовото число:

Тези. според модела на капката, ядрата със Z 2 /A > 49 трябва да отсъстват в природата, тъй като те се разделят спонтанно почти мигновено (за характерно ядрено време от порядъка на 10 -22 s). Възможността за съществуване на атомни ядра със Z 2 /A > 49 („остров на стабилност“) се обяснява със структурата на черупката. Зависимостта на формата, височината на потенциалната бариера H и енергията на делене E от стойността на параметъра на делимост Z 2 /А е показана на фиг. 5.

Спонтанно делене на ядра със Z 2 /A< 49, для которых высота барьера Н не равна нулю, с точки зрения классической физики невозможно. С точки зрения квантовой механики такое деление возможно в результате прохождения через потенциальный барьер и носит название спонтанного деления. Вероятность спонтанного деления растет с увеличением параметра делимости Z 2 /А, т.е. с уменьшением высоты барьера. В целом период полураспада относительно спонтанного деления уменьшается при переходе от менее тяжелых ядер к более тяжелым от Т 1/2 > 10 21 години за 232 Th до 21 ms за 260 Rf. Принудително ядрено делене със Z 2 /A < 49 может быть вызвано любыми частицами: фотонами, нейтронами, протонами, дейтронами, -частицами и т.д., если энергия, которую они вносят в ядро, достаточна для преодоления барьера деления.

. енергия на делене

Разделянето на 235 U от топлинни неутрони освобождава енергия от около 200 MeV. От тях ~167 MeV се дължи на кинетичната енергия на фрагментите. Останалата част от енергията се разпределя между различни частици, които възникват в процеса на делене и радиоактивен разпад на фрагменти. Част от енергията на делене се отвежда от -кванти, излъчвани от възбудените фрагменти непосредствено след излитането на бързи неутрони (т.нар. моментни лъчи на делене), както и от -кванти, получени от - разпадане на фрагменти. Около 5% от енергията на делене се отвежда от антинеутрино, образувани по време на - - разпадане на фрагменти.
Енергията на делене се разпределя по следния начин

Ядреното делене е разделяне на тежък атом на два фрагмента с приблизително еднаква маса, придружено от освобождаване на голямо количество енергия.

Откриването на ядреното делене постави началото на нова ера - "атомната ера". Потенциалът на евентуалното му използване и съотношението на риска към ползата от използването му не само генерират много социологически, политически, икономически и научни постижения, но и сериозни проблеми. Дори от чисто научна гледна точка, процесът на ядрено делене създаде голям брой пъзели и усложнения, а пълното му теоретично обяснение е въпрос на бъдещето.

Споделянето е изгодно

Енергиите на свързване (на нуклон) се различават за различните ядра. По-тежките имат по-ниска енергия на свързване от тези, разположени в средата на периодичната таблица.

Това означава, че за тежки ядра с атомен номер, по-голям от 100, е изгодно да се разделят на два по-малки фрагмента, като по този начин се освобождава енергия, която се превръща в кинетичната енергия на фрагментите. Този процес се нарича разделяне

Според кривата на стабилност, която показва зависимостта на броя на протоните от броя на неутроните за стабилни нуклиди, по-тежките ядра предпочитат повече неутрони (в сравнение с броя на протоните) от по-леките. Това предполага, че заедно с процеса на разделяне ще бъдат излъчени някои "резервни" неутрони. Освен това те ще поемат и част от освободената енергия. Изследването на ядреното делене на урановия атом показа, че се отделят 3-4 неутрона: 238 U → 145 La + 90 Br + 3n.

Атомният номер (и атомната маса) на фрагмента не е равен на половината от атомната маса на родителя. Разликата между масите на атомите, образувани в резултат на разделяне, обикновено е около 50. Вярно е, че причината за това все още не е напълно ясна.

Енергиите на свързване на 238 U, 145 La и 90 Br са съответно 1803, 1198 и 763 MeV. Това означава, че в резултат на тази реакция се освобождава енергията на делене на урановото ядро, равна на 1198 + 763-1803 = 158 MeV.

Спонтанно разделяне

Процесите на спонтанно разцепване са известни в природата, но са много редки. Средният живот на този процес е около 10 17 години, а например средният живот на алфа разпада на същия радионуклид е около 10 11 години.

Причината за това е, че за да се раздели на две части, ядрото първо трябва да се деформира (разтегне) в елипсоидална форма и след това, преди окончателно да се раздели на два фрагмента, да образува „врат“ в средата.

Потенциална бариера

В деформирано състояние върху ядрото действат две сили. Едната е повишената повърхностна енергия (повърхностното напрежение на течна капка обяснява нейната сферична форма), а другата е кулоновото отблъскване между фрагментите на делене. Заедно те създават потенциална бариера.

Както в случая на алфа разпада, за да се случи спонтанното делене на ядрото на урановия атом, фрагментите трябва да преодолеят тази бариера с помощта на квантово тунелиране. Бариерата е около 6 MeV, както в случая на алфа разпад, но вероятността за тунелиране на алфа частица е много по-голяма от тази на много по-тежък продукт на делене на атома.

принудително разделяне

Много по-вероятно е индуцираното делене на урановото ядро. В този случай родителското ядро се облъчва с неутрони. Ако родителят го абсорбира, те се свързват, освобождавайки енергия на свързване под формата на вибрационна енергия, която може да надхвърли 6 MeV, необходими за преодоляване на потенциалната бариера.

Когато енергията на допълнителния неутрон е недостатъчна за преодоляване на потенциалната бариера, падащият неутрон трябва да има минимална кинетична енергия, за да може да предизвика разцепване на атом. В случай на 238 U енергията на свързване на допълнителни неутрони е с около 1 MeV. Това означава, че деленето на урановото ядро се индуцира само от неутрон с кинетична енергия, по-голяма от 1 MeV. От друга страна, изотопът 235 U има един несдвоен неутрон. Когато ядрото абсорбира допълнително, то образува двойка с него и в резултат на това сдвояване се появява допълнителна енергия на свързване. Това е достатъчно, за да освободи количеството енергия, необходимо на ядрото да преодолее потенциалната бариера и разделянето на изотопа се случва при сблъсък с всеки неутрон.

бета разпад

Въпреки че реакцията на делене излъчва три или четири неутрона, фрагментите все още съдържат повече неутрони, отколкото техните стабилни изобари. Това означава, че фрагментите на разцепване като цяло са нестабилни срещу бета разпад.

Например, когато се случи делене на уран 238U, стабилната изобара с A = 145 е неодим 145Nd, което означава, че фрагментът на лантан 145La се разпада на три стъпки, всеки път излъчвайки електрон и антинеутрино, докато се образува стабилен нуклид. Стабилната изобара с A = 90 е цирконий 90 Zr; следователно, разцепващият се фрагмент на бром 90 Br се разлага на пет етапа от веригата на β-разпад.

Тези вериги на β-разпад освобождават допълнителна енергия, която почти цялата се отвежда от електрони и антинеутрино.

Ядрени реакции: делене на уранови ядра

Директното излъчване на неутрон от нуклид с твърде много от тях, за да се гарантира стабилността на ядрото, е малко вероятно. Въпросът тук е, че няма кулоново отблъскване и така повърхностната енергия има тенденция да поддържа неутрона във връзка с родителя. Това обаче понякога се случва. Например, 90 Br фрагмент на делене в първия етап на бета разпад произвежда криптон-90, който може да бъде във възбудено състояние с достатъчно енергия, за да преодолее повърхностната енергия. В този случай излъчването на неутрони може да се случи директно с образуването на криптон-89. все още нестабилен по отношение на β разпада, докато се превърне в стабилен итрий-89, така че криптон-89 се разпада на три стъпки.

Деление на уранови ядра: верижна реакция

Неутроните, излъчени в реакцията на делене, могат да бъдат абсорбирани от друго родителско ядро, което след това самото претърпява индуцирано делене. В случая на уран-238 трите неутрона, които се произвеждат, излизат с енергия по-малка от 1 MeV (енергията, освободена при деленето на урановото ядро - 158 MeV - се превръща главно в кинетичната енергия на фрагментите на делене ), така че те не могат да причинят по-нататъшно делене на този нуклид. Въпреки това, при значителна концентрация на редкия изотоп 235 U, тези свободни неутрони могат да бъдат уловени от 235 U ядра, което наистина може да предизвика делене, тъй като в този случай няма енергиен праг, под който да не се индуцира делене.

Това е принципът на верижната реакция.

Видове ядрени реакции

Нека k е броят на неутроните, произведени в проба от делящ се материал в етап n от тази верига, разделен на броя на неутроните, произведени в етап n - 1. Това число ще зависи от това колко неутрони, произведени в етап n - 1, се абсорбират от ядрото, което може да бъде принудено да се раздели.

Ако k< 1, то цепная реакция просто выдохнется и процесс остановится очень быстро. Именно это и происходит в природной в которой концентрация 235 U настолько мала, что вероятность поглощения одного из нейтронов этим изотопом крайне ничтожна.

Ако k > 1, тогава верижната реакция ще нараства, докато се използва целият делящ се материал.Това се постига чрез обогатяване на естествената руда за получаване на достатъчно голяма концентрация на уран-235. За сферична проба стойността на k се увеличава с увеличаване на вероятността за поглъщане на неутрони, което зависи от радиуса на сферата. Следователно масата U трябва да надвишава определено количество, за да се случи деленето на уранови ядра (верижна реакция).

Ако k = 1, тогава протича контролирана реакция. Това се използва в ядрените реактори. Процесът се контролира чрез разпределяне на кадмиеви или борни пръчки между урана, които поглъщат повечето от неутроните (тези елементи имат способността да улавят неутрони). Деленето на урановото ядро се контролира автоматично чрез преместване на пръчките по такъв начин, че стойността на k остава равна на единица.

>> делене на уран

§ 107 ДЕЛЯНЕ НА ЯДРА НА УРАН

Само ядрата на някои тежки елементи могат да бъдат разделени на части. По време на деленето на ядрата се излъчват два или три неутрона и -лъчи. В същото време се отделя много енергия.

Откриване на делене на уран.Разделянето на урановите ядра е открито през 1938 г. от немските учени О. Хан и Ф. Щрасман. Те установяват, че при бомбардиране на уран с неутрони възникват елементи от средната част на периодичната система: барий, криптон и т. н. Правилното тълкуване на този факт именно като делене на урановото ядро, което е уловило неутрона, е дадено при началото на 1939 г. от английския физик О. Фриш заедно с австрийския физик Л. Майтнер.

Улавянето на неутрон разрушава стабилността на ядрото. Ядрото се възбужда и става нестабилно, което води до разделянето му на фрагменти. Ядреното делене е възможно, защото масата на покой на тежко ядро е по-голяма от сумата на масите на покой на фрагментите, които възникват по време на деленето. Следователно има освобождаване на енергия, еквивалентно на намаляване на масата на покой, което придружава деленето.

Възможността за делене на тежки ядра може да се обясни и с помощта на графика на зависимостта на специфичната енергия на свързване от масовото число A (виж фиг. 13.11). Специфичната енергия на свързване на ядрата на атомите на елементите, заемащи последните места в периодичната система (A 200) е приблизително с 1 MeV по-малка от специфичната енергия на свързване в ядрата на елементите, разположени в средата на периодичната система (A 100) . Следователно процесът на делене на тежки ядра в ядра на елементи в средната част на периодичната система е енергийно благоприятен. След делене, системата преминава в състояние с минимална вътрешна енергия. В края на краищата, колкото по-голяма е енергията на свързване на ядрото, толкова по-голяма е енергията, която трябва да се освободи при възникване на ядрото и следователно, толкова по-ниска е вътрешната енергия на новообразуваната система.

По време на ядрено делене енергията на свързване на нуклон се увеличава с 1 MeV, а общата освободена енергия трябва да бъде огромна - около 200 MeV. Никоя друга ядрена реакция (която не е свързана с делене) не отделя толкова големи енергии.

Директните измервания на енергията, освободена по време на деленето на урановото ядро, потвърдиха горните съображения и дадоха стойност от 200 MeV. Освен това по-голямата част от тази енергия (168 MeV) пада върху кинетичната енергия на фрагментите. На фигура 13.13 виждате следите от делящи се уранови фрагменти в облачна камера.

Енергията, освободена при ядрено делене, е по-скоро електростатичен, отколкото ядрен произход. Голямата кинетична енергия, която имат фрагментите, възниква поради тяхното кулоново отблъскване.

механизъм на ядрено делене.Процесът на ядрено делене може да се обясни на базата на капковия модел на ядрото. Според този модел куп нуклони наподобява капка заредена течност (фиг. 13.14, а). Ядрените сили между нуклоните са къси, подобно на силите, действащи между течните молекули. Наред със силните сили на електростатично отблъскване между протоните, които са склонни да разкъсат ядрото, съществуват още по-големи ядрени сили на привличане. Тези сили предпазват ядрото от разпадане.

Ядрото на уран-235 е сферично. След като е погълнал допълнителен неутрон, той се възбужда и започва да се деформира, придобивайки удължена форма (фиг. 13.14, б). Ядрото ще се разтяга, докато силите на отблъскване между половините на удълженото ядро започнат да преобладават над силите на привличане, действащи в провлака (фиг. 13.14, в). След това се разкъсва на две части (фиг. 13.14, г).

Под действието на кулоновите отблъскващи сили тези фрагменти се разлитат със скорост, равна на 1/30 от скоростта на светлината.

Емисия на неутрони по време на делене.Основният факт на ядреното делене е излъчването на два или три неутрона по време на делене. Именно благодарение на това стана възможно практическото използване на вътрешноядрена енергия.

Възможно е да се разбере защо се излъчват свободни неутрони от следните съображения. Известно е, че съотношението на броя на неутроните към броя на протоните в стабилните ядра се увеличава с увеличаване на атомния номер. Следователно при фрагменти, възникващи от деленето, относителният брой на неутроните се оказва по-голям от допустимото за ядрата на атомите, разположени в средата на периодичната таблица. В резултат на това в процеса на делене се отделят няколко неутрона. Тяхната енергия има различни стойности - от няколко милиона електрон волта до много малки, близки до нула.

Разделянето обикновено става на фрагменти, чиито маси се различават около 1,5 пъти. Тези фрагменти са силно радиоактивни, тъй като съдържат излишно количество неутрони. В резултат на поредица от последователни разпада, в крайна сметка се получават стабилни изотопи.

В заключение отбелязваме, че има и спонтанно делене на уранови ядра. Открит е от съветските физици Г. Н. Флеров и К. А. Петржак през 1940 г. Периодът на полуразпад за спонтанно делене е 10 16 години. Това е два милиона пъти по-дълго от периода на полуразпад на урана.

Реакцията на ядрено делене е придружена от освобождаване на енергия.

Съдържание на урока резюме на урокаподкрепа рамка презентация урок ускорителни методи интерактивни технологии Практика задачи и упражнения самоизпитване семинари, обучения, казуси, куестове домашна работа дискусия въпроси реторични въпроси от ученици Илюстрации аудио, видео клипове и мултимедияснимки, картини графики, таблици, схеми хумор, анекдоти, вицове, комикси притчи, поговорки, кръстословици, цитати Добавки резюметастатии чипове за любопитни cheat sheets учебници основни и допълнителен речник на термини други Подобряване на учебниците и уроцитекоригиране на грешки в учебникаактуализиране на фрагмент в учебника, елементи на иновация в урока, замяна на остарелите знания с нови Само за учители перфектни уроцикалендарен план за годината методически препоръки на дискусионната програма Интегрирани уроци

Настъпва делене на урановите ядра по следния начин:първо, неутрон удря ядрото, като куршум в ябълка. В случай на ябълка, куршум щеше да направи дупка в нея или щеше да я разнесе на парчета. Когато неутрон навлезе в ядрото, той се улавя от ядрени сили. Известно е, че неутронът е неутрален, така че не се отблъсква от електростатични сили.

Как се случва деленето на уран?

И така, попадайки в състава на ядрото, неутронът нарушава баланса и ядрото се възбужда. Разтяга се встрани като дъмбел или знак за безкрайност: ∞ . Ядрените сили, както е известно, действат на разстояние, съизмеримо с размера на частиците. При разтягане на ядрото действието на ядрените сили става незначително за екстремните частици на "дъмбела", докато електрическите сили действат много мощно на такова разстояние и ядрото просто се разпада на две части. В този случай също се излъчват два или три неутрона.

Фрагменти от ядрото и освободените неутрони се разпръскват с голяма скорост в различни посоки. Фрагментите се забавят доста бързо от околната среда, но кинетичната им енергия е огромна. Преобразува се във вътрешната енергия на средата, която се нагрява. В този случай количеството освободена енергия е огромно. Енергията, получена от пълното делене на един грам уран, е приблизително равна на енергията, получена от изгарянето на 2,5 тона нефт.

Верижна реакция на делене на няколко ядра

Разгледахме деленето на едно ураново ядро. По време на деленето се отделят няколко (най-често два или три) неутрона. Те се разпръскват встрани с голяма скорост и лесно могат да попаднат в ядрата на други атоми, предизвиквайки реакция на делене в тях. Това е верижната реакция.

Тоест получените в резултат на ядрено делене неутрони възбуждат и принуждават други ядра да се разделят, които от своя страна сами излъчват неутрони, които продължават да стимулират по-нататъшното делене. И така, докато не настъпи деленето на всички уранови ядра в непосредствена близост.

В този случай може да възникне верижна реакция като лавина, например, в случай на експлозия на атомна бомба. Броят на ядреното делене нараства експоненциално за кратък период от време. Въпреки това може да възникне верижна реакция с амортизация.

Факт е, че не всички неутрони срещат по пътя си ядра, които предизвикват делене. Както помним, вътре в веществото основният обем е зает от празнотата между частиците. Следователно някои неутрони летят през цялата материя, без да се сблъскват с нищо по пътя. И ако броят на ядреното делене намалява с времето, тогава реакцията постепенно избледнява.

Ядрени реакции и критичната маса на урана

Какво определя вида на реакцията?От масата на урана. Колкото по-голяма е масата, толкова повече частици ще срещне летящият неутрон по пътя си и има повече шансове да попадне в ядрото. Следователно се разграничава "критична маса" на урана - това е такава минимална маса, при която е възможна верижна реакция.

Броят на образуваните неутрони ще бъде равен на броя на неутроните, които са излетели. И реакцията ще протече с приблизително същата скорост, докато се получи целият обем на веществото. Това се използва на практика в атомните електроцентрали и се нарича контролирана ядрена реакция.

Ядрено делене- процесът на разделяне на атомно ядро на две (рядко три) ядра с подобни маси, наречени фрагменти на делене. В резултат на деленето могат да се появят и други реакционни продукти: леки ядра (главно алфа частици), неутрони и гама кванти. Разделянето може да бъде спонтанно (спонтанно) и принудително (в резултат на взаимодействие с други частици, предимно с неутрони). Разделянето на тежки ядра е екзотермичен процес, в резултат на който се отделя голямо количество енергия под формата на кинетичната енергия на реакционните продукти, както и радиация. Ядреното делене служи като източник на енергия в ядрените реактори и ядрените оръжия. Процесът на делене може да продължи само когато потенциалната енергия на първоначалното състояние на делящото се ядро надвишава сумата от масите на фрагментите на делене. Тъй като специфичната енергия на свързване на тежките ядра намалява с увеличаване на масата, това условие е изпълнено за почти всички ядра с масов номер .

Въпреки това, както показва опитът, дори най-тежките ядра се разделят спонтанно с много малка вероятност. Това означава, че има енергийна бариера ( бариера на делене) за предотвратяване на разделяне. Няколко модела се използват за описване на процеса на ядрено делене, включително изчисляването на бариерата на делене, но нито един от тях не може да обясни напълно процеса.

Фактът, че енергията се освобождава при деленето на тежки ядра, следва директно от зависимостта на специфичната енергия на свързване ε = E St (A, Z) / A от масовото число A. При деленето на тежко ядро се образуват по-леки ядра, в които нуклоните са свързани по-силно, а част от енергията се отделя при делене. По правило ядреното делене е придружено от излъчване на 1-4 неутрона. Нека изразим енергията на Q части на делене чрез енергиите на свързване на началното и крайното ядро. Енергията на първоначалното ядро, състояща се от Z протони и N неутрони и имаща маса M (A, Z) и енергия на свързване E St (A, Z), записваме в следната форма:

M(A,Z)c2 = (Zm p + Nm n)c2 - E St (A,Z).

Разделянето на ядрото (A, Z) на 2 фрагмента (A 1, Z 1) и (A 2, Z 2) е придружено от образуването на N n = A – A 1 – A 2 бързи неутрони. Ако ядрото (A,Z) е разделено на фрагменти с маси M 1 (A 1 ,Z 1), M 2 (A 2 ,Z 2) и енергии на свързване E st1 (A 1 ,Z 1), E st2 (A 2 , Z 2), тогава за енергията на делене имаме израза:

Q div \u003d (M (A, Z) -) c 2 \u003d E St 1 (A 1, Z 1) + E St (A 2, Z 2) - E St (A, Z),

A \u003d A 1 + A 2 + N n, Z = Z 1 + Z 2.

23. Елементарна теория на деленето.

През 1939г Н. Бори Дж. Уилър, както и Я. Френкелмного преди деленето да бъде изчерпателно изследвано експериментално, беше предложена теория за този процес, базирана на концепцията за ядрото като капка заредена течност.

Енергията, освободена по време на делене, може да бъде получена директно от Формули на Weizsäcker.

В процеса на делене ядрото последователно преминава през следните етапи (фиг. 2): топка, елипсоид, дъмбел, два крушовидни фрагмента, два сферични фрагмента. Как се променя потенциалната енергия на ядрото на различни етапи на делене? След като деленето е осъществено и фрагментите са разделени един от друг на разстояние, много по-голямо от радиуса им, потенциалната енергия на фрагментите, определена от кулоновото взаимодействие между тях, може да се счита за равна на нула.

В случай на малки елипсоидни деформации увеличаването на повърхностната енергия става по-бързо от намаляването на кулоновата енергия. В областта на тежките ядра 2En > Ek, сумата от повърхностната и кулоновата енергия нараства с увеличаване. От (f.4) и (f.5) следва, че при малки елипсоидни деформации увеличаването на повърхностната енергия предотвратява по-нататъшни промени във формата на ядрото и следователно деленето. Изразът (f.5) е валиден за малки стойности (малки деформации). Ако деформацията е толкова голяма, че ядрото приема формата на дъмбел, тогава силите на повърхностното напрежение, подобно на силите на Кулон, са склонни да отделят ядрото и да придадат на фрагментите сферична форма. На този етап на делене увеличаването на напрежението е придружено от намаляване както на кулоновата, така и на повърхностната енергия. Тези. с постепенно увеличаване на деформацията на ядрото, неговата потенциална енергия преминава през максимум. Сега r има значението на разстоянието между центровете на бъдещи фрагменти. Когато фрагментите се отдалечат един от друг, потенциалната енергия на тяхното взаимодействие ще намалее, тъй като енергията на кулоновото отблъскване Ek намалява.Зависимостта на потенциалната енергия от разстоянието между фрагментите е показана на фиг. 4. Нулевото ниво на потенциална енергия съответства на сумата от повърхностната и кулоновата енергия на два невзаимодействащи фрагмента. Наличието на потенциална бариера предотвратява моментално спонтанно ядрено делене. За да може ядрото да се раздели моментално, трябва да му бъде дадена енергия Q, която надвишава височината на бариерата H. Максималната потенциална енергия на делящото се ядро е приблизително равна на e 2 Z 2 /(R 1 + R 2), където R 1 и R2 са радиусите на фрагментите. Например, когато златното ядро е разделено на два еднакви фрагмента, e 2 Z 2 / (R 1 + R 2) = 173 MeV и енергията E, освободена по време на делене ( виж формула (f.2)) е равно на 132 MeV. Така при деленето на златното ядро е необходимо да се преодолее потенциална бариера с височина около 40 MeV. Височината на бариерата H е толкова по-голяма, колкото по-малко е съотношението на кулоновата и повърхностната енергия E към /E p в изходното ядро. Това съотношение от своя страна се увеличава с увеличаване на параметъра на делимост Z 2 /A ( виж (f.4)). Колкото по-тежка е сърцевината, толкова по-ниска е височината на преградата H , тъй като параметърът на делимост се увеличава с увеличаване на масовото число:

Тези. според модела на капката, ядрата със Z 2 /A > 49 трябва да отсъстват в природата, тъй като те се разделят спонтанно почти мигновено (за характерно ядрено време от порядъка на 10 -22 s). Съществуването на атомни ядра със Z 2 /A > 49 („остров на стабилност“) се обяснява със структурата на черупката. Зависимостта на формата, височината на потенциалната бариера H и енергията на делене E от стойността на параметъра на делимост Z 2 /А е показана на фиг. 5.

Спонтанно делене на ядра със Z 2 /A< 49, для которых высота барьера Н не равна нулю, с точки зрения классической физики невозможно. С точки зрения квантовой механики такое деление возможно в результате прохождения через потенциальный барьер и носит название спонтанного деления. Вероятность спонтанного деления растет с увеличением параметра делимости Z 2 /А, т.е. с уменьшением высоты барьера. В целом период полураспада относительно спонтанного деления уменьшается при переходе от менее тяжелых ядер к более тяжелым от Т 1/2 > 10 21 години за 232 Th до 0,3 s за 260 Ku. Принудително ядрено делене със Z 2 /A < 49 может быть вызвано любыми частицами: фотонами, нейтронами, протонами, дейтронами, -частицами и т.д., если энергия, которую они вносят в ядро достаточна для преодоления барьера деления.

Секции