Nehéz atommagok hasadása. hasadási energia

Számítsuk ki a nehéz atommag hasadása során felszabaduló energia mennyiségét. Helyettesítsük be (f.2) az atommagok kötési energiáinak kifejezéseit (f.1), feltételezve, hogy A 1 = 240 és Z 1 = 90. Az (f.1) utolsó tagját annak kicsisége miatt figyelmen kívül hagyva, és helyettesítve az az a 2 és a 3 paraméterek értékeit kapjuk

Ebből azt kapjuk, hogy a hasadás energetikailag kedvező, ha Z 2 /A > 17. A Z 2 /A értékét oszthatósági paraméternek nevezzük. A hasadás során felszabaduló E energia a Z 2 /A növekedésével nő; Z 2 /A = 17 az ittrium és a cirkónium régiójában lévő magokra. A kapott becslésekből látható, hogy a maghasadás energetikailag kedvező minden A > 90 atommag esetében. Miért stabil a magok többsége a spontán hasadás szempontjából? A kérdés megválaszolásához nézzük meg, hogyan változik a mag alakja a hasadás során.

A hasadás folyamatában az atommag egymás után halad át a következő szakaszok (2. kép): labda, ellipszoid, súlyzó, két körte alakú töredék, két gömbtöredék. Hogyan változik az atommag potenciális energiája a hasadás különböző szakaszaiban? Miután a hasadás megtörtént, és a töredékek egymástól távol, sokkal nagyobb távolságra vannak, mint a sugaruk, a fragmentumok potenciális energiája, amelyet a köztük lévő Coulomb-kölcsönhatás határoz meg, nullával egyenlőnek tekinthető.

Tekintsük a hasadás kezdeti szakaszát, amikor az atommag egyre megnyúló forgási ellipszoid alakját veszi fel növekvő r mellett. A hasadásnak ebben a szakaszában az r a mag gömb alakútól való eltérésének mértéke (3. ábra). Az atommag alakjának alakulása miatt potenciális energiájának változását a felület és az E"n + E"k Coulomb-energiák összegének változása határozza meg. Feltételezzük, hogy az atommag térfogata változatlan marad deformáció során. Ebben az esetben az E "p felületi energia növekszik, mivel az atommag felülete nő. A Coulomb-energia E" k csökken, mivel a nukleonok közötti átlagos távolság nő. Legyen a gömb alakú mag egy kis paraméterrel jellemezhető enyhe deformáció eredményeként tengelyirányban szimmetrikus ellipszoid alakja. Megmutatható, hogy az E "p" felületi energia és az E k Coulomb-energia a következőképpen változik.

Kis ellipszoid alakváltozások esetén a felületi energia növekedése gyorsabban megy végbe, mint a Coulomb-energia csökkenése.
A 2En > Ek nehéz atommagok tartományában a felületi és a Coulomb-energiák összege a növekedéssel növekszik. Az (f.4) és (f.5)-ből az következik, hogy kis ellipszoid alakváltozásoknál a felületi energia növekedése megakadályozza az atommag további alakváltozását, és ennek következtében a maghasadást. Az (f.5) kifejezés kis értékekre (kis törzsekre) érvényes. Ha a deformáció olyan nagy, hogy a mag súlyzó formát ölt, akkor a felületi feszültségek, mint a Coulomb-erők, hajlamosak elválasztani a magot, és gömb alakúvá teszik a töredékeket. Ebben a hasadási szakaszban a deformáció növekedése a Coulomb és a felületi energia csökkenésével jár. Azok. az atommag deformációjának fokozatos növekedésével potenciális energiája maximumon halad át. Most r jelentése a jövőbeli töredékek középpontjai közötti távolság. Ahogy a töredékek távolodnak egymástól, a kölcsönhatásuk potenciális energiája csökkenni fog, mivel a Coulomb taszítás E k energiája csökken A potenciális energia függőségét a töredékek távolságától az ábra mutatja. 4. A potenciális energia nulla szintje két nem kölcsönható fragmentum felületi és Coulomb-energiájának összege.
A potenciálgát jelenléte megakadályozza a pillanatnyi spontán maghasadást. Ahhoz, hogy az atommag azonnal felhasadjon, olyan Q energiát kell adni neki, amely meghaladja a H gátmagasságot. A hasadómag maximális potenciális energiája megközelítőleg egyenlő
e2Z1Z2/(R1+R2), ahol R1 és R2 a fragmensek sugara. Például, ha egy aranymagot két azonos részre osztanak, e 2 Z 1 Z 2 / (R 1 + R 2) \u003d 173 MeV, és a hasadás során felszabaduló E energia mennyisége () 132 MeV. Így az aranymag hasadása során egy körülbelül 40 MeV magas potenciálgátat kell leküzdeni.
Minél nagyobb a H gátmagasság, annál kisebb a Coulomb és az E és /E p felületi energiák aránya a kezdeti magban. Ez az arány pedig a Z 2 /A () oszthatósági paraméter növekedésével növekszik. Minél nehezebb a mag, annál kisebb a H akadálymagasság , mivel az oszthatósági paraméter a tömegszám növekedésével növekszik:

Azok. a cseppmodell szerint a Z 2 /A > 49 értékű magoknak hiányozniuk kell a természetben, mivel spontán módon szinte azonnal hasadnak (10-22 s nagyságrendű jellemző magidőre). A Z 2 /A > 49 ("stabilitás szigete") atommagok létezésének lehetőségét a héjszerkezet magyarázza. A H potenciálgát alakjának, magasságának és az E hasadási energiának a Z 2 /А oszthatósági paraméter értékétől való függését a ábra mutatja. 5.

Magok spontán hasadása Z 2 /A-val< 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 év 232 Th esetén 21 ms 260 Rf esetén. Kényszeres maghasadás Z 2 /A-val < 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.

. hasadási energia

235 U termikus neutronok hasadása körülbelül 200 MeV energiát szabadít fel. Ebből ~167 MeV-ot tesz ki a töredékek kinetikus energiája. Az energia fennmaradó része a különböző részecskék között oszlik el, amelyek a hasadás és a fragmentumok radioaktív bomlása során keletkeznek. A hasadási energia egy részét a gerjesztett töredékek által közvetlenül a prompt neutronok távozása után kibocsátott -kvantumok (ún. pillanatnyi hasadási sugarak), valamint a töredékek - bomlásából származó -kvantumok viszik el. A hasadási energia körülbelül 5%-át a töredékek bomlása során keletkező antineutrínók viszik el.
A hasadási energia a következőképpen oszlik meg

Az atommaghasadás egy nehéz atom két, megközelítőleg azonos tömegű töredékre való szétválása, amely nagy mennyiségű energia felszabadulásával jár.

Az atommaghasadás felfedezésével új korszak kezdődött - az "atomkor". Lehetséges felhasználásának lehetősége, valamint a használatból származó kockázatok és hasznok aránya nemcsak számos szociológiai, politikai, gazdasági és tudományos eredményt generált, hanem komoly problémákat is. A maghasadás folyamata még tisztán tudományos szempontból is számos rejtvényt és bonyodalmat hozott létre, és teljes elméleti magyarázata a jövő kérdése.

A megosztás előnyös

A kötési energiák (nukleononként) eltérőek a különböző magoknál. A nehezebbek alacsonyabb kötési energiával rendelkeznek, mint a periódusos rendszer közepén találhatók.

Ez azt jelenti, hogy előnyös, ha a 100-nál nagyobb rendszámú nehéz magok két kisebb töredékre osztódnak, és ezáltal energiát szabadítanak fel, amely a fragmentumok mozgási energiájává alakul át. Ezt a folyamatot hasításnak nevezik

A stabilitási görbe szerint, amely a protonok számának a neutronszámtól való függését mutatja stabil nuklidok esetén, a nehezebb magok több neutront (a protonok számához képest) preferálnak, mint a könnyebbeket. Ez azt sugallja, hogy a hasítási folyamattal együtt néhány "tartalék" neutron is kibocsátásra kerül. Emellett a felszabaduló energia egy részét is átveszik. Az uránatom maghasadásának vizsgálata kimutatta, hogy 3-4 neutron szabadul fel: 238 U → 145 La + 90 Br + 3n.

A töredék rendszáma (és atomtömege) nem egyenlő a szülő atomtömegének felével. A hasadás következtében kialakuló atomtömegek közötti különbség általában körülbelül 50. Igaz, ennek oka még nem teljesen tisztázott.

A 238 U, 145 La és 90 Br kötési energiája 1803, 1198 és 763 MeV. Ez azt jelenti, hogy a reakció eredményeként az uránmag hasadási energiája felszabadul, ami 1198 + 763-1803 = 158 MeV.

Spontán osztódás

A spontán hasadás folyamatai ismertek a természetben, de nagyon ritkák. Ennek a folyamatnak az átlagos élettartama körülbelül 10 17 év, és például ugyanazon radionuklid alfa-bomlásának átlagos élettartama körülbelül 10 11 év.

Ennek az az oka, hogy a két részre szakadáshoz a magot először ellipszoid alakúra kell deformálni (nyújtani), majd mielőtt végleg két részre szakadna, középen „nyakat” kell kialakítani.

Potenciális akadály

A deformált állapotban két erő hat a magra. Az egyik a megnövekedett felületi energia (a folyadékcsepp felületi feszültsége magyarázza gömb alakját), a másik pedig a hasadási töredékek közötti Coulomb-taszítás. Együtt potenciális akadályt képeznek.

Az alfa-bomláshoz hasonlóan ahhoz, hogy az urán atommag spontán hasadása megtörténjen, a fragmentumoknak kvantum-alagúttal kell leküzdeniük ezt a gátat. A gát körülbelül 6 MeV, mint az alfa-bomlás esetében, de az alfa-részecske alagútba való áthaladásának valószínűsége sokkal nagyobb, mint egy sokkal nehezebb atomhasadási terméké.

kényszerű hasítás

Sokkal valószínűbb az uránmag indukált hasadása. Ebben az esetben az anyamagot neutronokkal sugározzák be. Ha a szülő elnyeli, akkor megköti, rezgési energia formájában kötőenergiát szabadít fel, amely meghaladhatja a potenciálgát leküzdéséhez szükséges 6 MeV-ot.

Ahol a további neutron energiája nem elegendő a potenciálgát leküzdéséhez, a beeső neutronnak minimális kinetikus energiával kell rendelkeznie ahhoz, hogy képes legyen egy atom felhasadását előidézni. 238 U esetén a további neutronok kötési energiája kb. 1 MeV rövid. Ez azt jelenti, hogy az uránmag hasadását csak egy 1 MeV-nál nagyobb kinetikus energiájú neutron indukálja. Másrészt a 235 U izotópnak van egy páratlan neutronja. Amikor a mag elnyel egy továbbit, akkor párat alkot vele, és ennek a párosításnak köszönhetően további kötési energia jelenik meg. Ez elegendő ahhoz, hogy felszabaduljon az atommagnak a potenciálgát leküzdéséhez szükséges energiamennyiség, és az izotóphasadás bármely neutronnal való ütközéskor megtörténik.

béta bomlás

Annak ellenére, hogy a hasadási reakció három vagy négy neutront bocsát ki, a töredékek még mindig több neutront tartalmaznak, mint a stabil izobárok. Ez azt jelenti, hogy a hasítási fragmentumok általában instabilak a béta-bomlás ellen.

Például, amikor a 238 U urán hasad, a stabil izobár A = 145 neodímium 145 Nd, ami azt jelenti, hogy a lantán 145 La fragmentum három lépésben bomlik, minden alkalommal egy elektront és egy antineutrínót bocsát ki, amíg stabil nuklid nem képződik. . Az A = 90 stabil izobár a cirkónium 90 Zr, ezért a bróm 90 Br hasító fragmentum a β-bomlási lánc öt szakaszában bomlik le.

Ezek a β-bomlási láncok további energiát szabadítanak fel, amelyet szinte az összes elektronok és antineutrínók elhordanak.

Nukleáris reakciók: uránmagok hasadása

A neutronok közvetlen kibocsátása olyan nuklidból, amelyben túl sok van belőlük ahhoz, hogy biztosítsa az atommag stabilitását, nem valószínű. Itt az a lényeg, hogy nincs Coulomb taszítás, és így a felületi energia hajlamos arra, hogy a neutront kötésben tartsa a szülővel. Ez azonban néha megtörténik. Például egy 90 Br méretű hasadási fragmentum az első béta-bomlási szakaszban kripton-90-et termel, amely gerjesztett állapotban lehet elegendő energiával ahhoz, hogy leküzdje a felületi energiát. Ebben az esetben a neutronok kibocsátása közvetlenül a kripton-89 képződésével történhet. továbbra is instabil a β-bomlás tekintetében, amíg stabil ittrium-89-té nem alakul át, így a kripton-89 három lépésben bomlik le.

Az uránmagok hasadása: láncreakció

A hasadási reakció során kibocsátott neutronokat egy másik anyamag elnyeli, amely aztán maga is indukált hasadáson megy keresztül. Az urán-238 esetében a keletkező három neutron 1 MeV-nál kisebb energiával jön ki (az uránmag hasadása során felszabaduló energia - 158 MeV - főként a hasadási töredékek mozgási energiájává alakul át), így nem okozhatják ennek a nuklidnak a további hasadását. Ennek ellenére a ritka 235 U izotóp jelentős koncentrációjában ezeket a szabad neutronokat 235 U atommagok képesek befogni, ami valóban okozhat hasadást, mivel ebben az esetben nincs olyan energiaküszöb, amely alatt a hasadás ne indukálódik.

Ez a láncreakció elve.

A nukleáris reakciók típusai

Legyen k a hasadóanyag mintájában e lánc n szakaszában keletkezett neutronok száma, elosztva az n - 1 szakaszban keletkezett neutronok számával. Ez a szám attól függ, hogy az n - 1 szakaszban előállított neutronokat hány neutron nyelődik el a mag által, amely osztódásra kényszerülhet.

Ha 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.

Ha k > 1, akkor a láncreakció addig fog növekedni, amíg az összes hasadóanyagot fel nem használjuk, ezt úgy érjük el, hogy a természetes érc dúsításával kellően nagy koncentrációjú urán-235-öt kapunk. Gömb alakú mintánál a k értéke a neutronelnyelési valószínűség növekedésével nő, ami a gömb sugarától függ. Ezért az U tömegnek meg kell haladnia egy bizonyos mennyiséget, hogy megtörténhessen az uránmagok hasadása (láncreakció).

Ha k = 1, akkor szabályozott reakció megy végbe. Ezt használják az atomreaktorokban. A folyamatot kadmium- vagy bórrudakkal szabályozzák az urán között, amelyek elnyelik a neutronok nagy részét (ezek az elemek képesek a neutronok befogására). Az uránmag hasadását automatikusan szabályozzák a rudak olyan mozgatásával, hogy k értéke eggyel maradjon.

>> uránhasadás

107. § AZ URÁNMAG HASZADÁSA

Csak egyes nehéz elemek magja osztható részekre. Az atommagok hasadása során két vagy három neutron és -sugár bocsát ki. Ugyanakkor sok energia szabadul fel.

Az uránhasadás felfedezése. Az urán atommagok hasadását 1938-ban fedezték fel német tudósok, O. Hahn és F. Strassmann. Megállapították, hogy amikor az uránt neutronokkal bombázzák, a periódusos rendszer középső részének elemei keletkeznek: bárium, kripton stb. Ennek a ténynek a helyes értelmezése azonban éppen a neutront befogó uránmag hasadásaként adódott a 1939 elején O. Frisch angol fizikus és L. Meitner osztrák fizikus.

A neutron befogása tönkreteszi az atommag stabilitását. A mag izgatottá válik és instabillá válik, ami töredékekre való felosztásához vezet. A maghasadás azért lehetséges, mert a nehéz mag nyugalmi tömege nagyobb, mint a hasadás során keletkező töredékek nyugalmi tömegének összege. Ezért a hasadást kísérő nyugalmi tömeg csökkenésével egyenértékű energia szabadul fel.

A nehéz atommagok hasadásának lehetősége a fajlagos kötési energia A tömegszámtól való függésének grafikonjával is magyarázható (lásd 13.11. ábra). A periódusos rendszerben az utolsó helyeket elfoglaló elemek atommagjainak fajlagos kötési energiája (A 200) körülbelül 1 MeV-tal kisebb, mint a periódusos rendszer közepén elhelyezkedő elemek atommagjainak fajlagos kötési energiája (A 100). . Ezért a periódusos rendszer középső részében a nehéz atommagok elemmagokká történő hasadási folyamata energetikailag kedvező. A hasadás után a rendszer minimális belső energiájú állapotba kerül. Hiszen minél nagyobb az atommag kötési energiája, annál nagyobb energiát kell felszabadulni az atommag keletkezésekor, következésképpen annál kisebb az újonnan kialakult rendszer belső energiája.

A maghasadás során a nukleononkénti kötési energia 1 MeV-tal növekszik, és a teljes felszabaduló energiának hatalmasnak kell lennie - körülbelül 200 MeV-nak. Nincs más nukleáris reakció (ha nem kapcsolódik a hasadáshoz) ilyen nagy energiákat.

Az uránmag hasadása során felszabaduló energia közvetlen mérése megerősítette a fenti megfontolásokat és 200 MeV értéket adtak. Ráadásul ennek az energiának a nagy része (168 MeV) a töredékek mozgási energiájára esik. A 13.13. ábrán a hasadó urándarabkák nyomai láthatók egy felhőkamrában.

A maghasadás során felszabaduló energia inkább elektrosztatikus, mint mag eredetű. A töredékek nagy kinetikus energiája a Coulomb-taszításból származik.

maghasadás mechanizmusa. A maghasadás folyamata az atommag cseppmodellje alapján magyarázható. E modell szerint egy csomó nukleon egy töltött folyadék cseppjére hasonlít (13.14. ábra, a). A nukleonok közötti nukleáris erők rövid hatótávolságúak, mint a folyékony molekulák között ható erők. A protonok közötti erős elektrosztatikus taszító erők mellett, amelyek hajlamosak szétszakítani az atommagot, még nagyobb nukleáris vonzási erők lépnek fel. Ezek az erők megakadályozzák az atommag szétesését.

Az urán-235 mag gömb alakú. Miután elnyelt egy plusz neutront, gerjesztődik és deformálódni kezd, és megnyúlt alakot kap (13.14. ábra, b). A mag addig fog nyúlni, amíg a megnyúlt mag felei közötti taszító erők nem kezdenek uralkodni az isthmusban ható vonzó erők felett (13.14. ábra, c). Ezt követően két részre tépjük (13.14. ábra, d).

A Coulomb taszító erők hatására ezek a töredékek a fénysebesség 1/30-ának megfelelő sebességgel repülnek szét.

Neutronok kibocsátása a hasadás során. A maghasadás alapvető ténye két vagy három neutron kibocsátása a maghasadás során. Ennek köszönhetően vált lehetővé az intranukleáris energia gyakorlati felhasználása.

A következő megfontolások alapján érthető, hogy miért bocsátanak ki szabad neutronokat. Ismeretes, hogy a stabil atommagokban a neutronok számának és a protonok számának aránya az atomszám növekedésével növekszik. Ezért a hasadás során keletkező töredékekben a neutronok relatív száma nagyobbnak bizonyul, mint a periódusos rendszer közepén található atommagok esetében megengedett. Ennek eredményeként a hasadási folyamat során több neutron szabadul fel. Energiájuk különböző értékű - több millió elektronvolttól egészen kicsi, nullához közeliig.

A hasadás általában töredékekre történik, amelyek tömege körülbelül 1,5-szeres. Ezek a töredékek erősen radioaktívak, mivel túl sok neutront tartalmaznak. Egy sor egymást követő -bomlás eredményeként végül stabil izotópokat kapunk.

Végezetül megjegyezzük, hogy az uránmagok spontán hasadása is előfordul. G. N. Flerov és K. A. Petrzhak szovjet fizikusok fedezték fel 1940-ben. A spontán hasadás felezési ideje 10 16 év. Ez kétmilliószor hosszabb, mint az uránbomlás felezési ideje.

A maghasadási reakciót energiafelszabadulás kíséri.

Az óra tartalma óra összefoglalója támogatási keret óra bemutató gyorsító módszerek interaktív technológiák Gyakorlat feladatok és gyakorlatok önvizsgálat műhelyek, tréningek, esetek, küldetések házi feladat megbeszélés kérdések szónoki kérdések a tanulóktól Illusztrációk audio, videoklippek és multimédia fényképek, képek grafika, táblázatok, sémák humor, anekdoták, viccek, képregények példázatok, mondások, keresztrejtvények, idézetek Kiegészítők absztraktokat cikkek chipek érdeklődő csaló lapok tankönyvek alapvető és kiegészítő kifejezések szószedete egyéb Tankönyvek és leckék javításaa tankönyv hibáinak javítása egy töredék frissítése a tankönyvben az innováció elemei a leckében az elavult ismeretek újakkal való helyettesítése Csak tanároknak tökéletes leckék naptári terv évre a vitaprogram módszertani ajánlásai Integrált leckék

Megtörténik az uránmagok hasadása a következő módon: először egy neutron találja el az atommagot, mint egy golyó az almában. Egy alma esetében egy golyó lyukat csinált volna rajta, vagy darabokra sodorta volna. Amikor egy neutron belép az atommagba, a nukleáris erők befogják. A neutron köztudottan semleges, ezért nem taszítják el az elektrosztatikus erők.

Hogyan történik az uránhasadás?

Tehát az atommag összetételébe kerülve a neutron megtöri az egyensúlyt, és az atommag gerjesztődik. Oldalra nyúlik, mint egy súlyzó vagy egy végtelen jel: ∞ . A nukleáris erők, mint ismeretes, a részecskék méretével arányos távolságban hatnak. Az atommag megfeszítésekor a nukleáris erők hatása a "súlyzó" szélső részecskéi számára jelentéktelenné válik, míg az elektromos erők ilyen távolságban nagyon erőteljesen hatnak, és az atommag egyszerűen két részre szakad. Ebben az esetben két-három neutron is kibocsátódik.

Az atommag töredékei és a felszabaduló neutronok nagy sebességgel szóródnak különböző irányokba. A töredékeket a környezet meglehetősen gyorsan lelassítja, de mozgási energiájuk óriási. A közeg belső energiájává alakul, ami felmelegszik. Ebben az esetben a felszabaduló energia mennyisége óriási. Egy gramm urán teljes hasadásából nyert energia megközelítőleg megegyezik 2,5 tonna olaj elégetésével nyert energiával.

Több atommag hasadásának láncreakciója

Egy uránmag hasadását vettük figyelembe. A hasadás során több (leggyakrabban két vagy három) neutron szabadult fel. Nagy sebességgel szóródnak oldalra, és könnyen beleeshetnek más atomok magjaiba, bennük hasadási reakciót okozva. Ez a láncreakció.

Vagyis a maghasadás eredményeként kapott neutronok gerjesztenek és hasadásra kényszerítenek más atommagokat, amelyek viszont maguk bocsátanak ki neutronokat, amelyek tovább serkentik a további hasadást. És így tovább, amíg a közvetlen közelében lévő összes uránmag hasadása meg nem történik.

Ebben az esetben láncreakció léphet fel mint egy lavina, például atombomba robbanása esetén. A maghasadás száma rövid időn belül exponenciálisan növekszik. Láncreakció azonban előfordulhat csillapítással.

A helyzet az, hogy nem minden neutron találkozik magával útközben, amit hasadásra indukálnak. Mint emlékszünk, az anyag belsejében a fő térfogatot a részecskék közötti űr foglalja el. Ezért egyes neutronok átrepülnek minden anyagon anélkül, hogy bármivel is ütköznének. És ha a maghasadás száma idővel csökken, akkor a reakció fokozatosan elhalványul.

Nukleáris reakciók és az urán kritikus tömege

Mi határozza meg a reakció típusát? Az urán tömegéből. Minél nagyobb a tömeg, annál több részecskével találkozik a repülő neutron útja során, és több esélye van bejutni az atommagba. Ezért megkülönböztetik az urán "kritikus tömegét" - ez egy olyan minimális tömeg, amelynél láncreakció lehetséges.

A képződött neutronok száma megegyezik a kiáramló neutronok számával. És a reakció megközelítőleg ugyanolyan sebességgel megy végbe, amíg az anyag teljes térfogata meg nem termelődik. Ezt a gyakorlatban az atomerőművekben használják, és ezt irányított nukleáris reakciónak nevezik.

Nukleáris maghasadás- az atommag két (ritkán három) hasonló tömegű magra, úgynevezett hasadási töredékre hasad fel. A hasadás következtében más reakciótermékek is megjelenhetnek: könnyű atommagok (főleg alfa-részecskék), neutronok és gamma-kvantumok. A hasadás lehet spontán (spontán) és kényszerített (más részecskékkel, elsősorban neutronokkal való kölcsönhatás eredményeként). A nehéz atommagok hasadása exoterm folyamat, melynek eredményeként nagy mennyiségű energia szabadul fel a reakciótermékek kinetikus energiája, valamint sugárzás formájában. Az atommaghasadás energiaforrásként szolgál az atomreaktorokban és az atomfegyverekben. A hasadási folyamat csak akkor mehet végbe, ha a hasadó mag kiindulási állapotának potenciális energiája meghaladja a hasadási töredékek tömegének összegét. Mivel a nehéz atommagok fajlagos kötési energiája a tömeg növekedésével csökken, ez a feltétel szinte minden tömegszámú atommag esetében teljesül.

A tapasztalatok szerint azonban még a legnehezebb magok is spontán módon, nagyon kis valószínűséggel osztódnak. Ez azt jelenti, hogy van egy energiagát ( hasadási gát) a szétválás megakadályozása érdekében. Számos modellt használnak a maghasadás folyamatának leírására, beleértve a hasadási gát számítását is, de egyik sem tudja teljes mértékben megmagyarázni a folyamatot.

Az a tény, hogy a nehéz atommagok hasadása során energia szabadul fel, közvetlenül következik a fajlagos kötési energia ε függéséből. = E St (A, Z) / A az A tömegszámból. Egy nehéz mag hasadása során könnyebb magok keletkeznek, amelyekben a nukleonok erősebben kötődnek, és a hasadás során az energia egy része felszabadul. A maghasadást általában 1-4 neutron kibocsátása kíséri. Fejezzük ki a Q részek hasadási energiáját a kezdeti és a végső mag kötési energiáival. A Z protonból és N neutronból álló, M tömegű (A, Z) és E kötési energiájú E St (A, Z) energiáját a következő formában írjuk le:

M(A,Z)c2 = (Zmp + Nmn)c2 - E St(A,Z).

Az atommag (A, Z) 2 fragmentumra (A 1, Z 1) és (A 2, Z 2) való osztódása együtt jár N n képződésével. = A - A 1 - A 2 prompt neutronok. Ha az atommagot (A,Z) M 1 (A 1 ,Z 1), M 2 (A 2 ,Z 2) tömegű és E st1 (A 1 ,Z 1), E st2 (A) kötési energiájú fragmensekre osztjuk. 2 , Z 2), akkor a hasadási energiára a következő kifejezést kapjuk:

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. A hasadás elemi elmélete.

1939-ben N. Borés J. Wheeler, szintén Ja. Frenkel jóval azelőtt, hogy a hasadást átfogóan kísérletileg tanulmányozták volna, ennek a folyamatnak egy elméletét javasolták, amely az atommag töltött folyadék cseppjeként való felfogásán alapult.

A hasadás során felszabaduló energia közvetlenül nyerhető Weizsäcker képletek.

Számítsuk ki a nehéz atommag hasadása során felszabaduló energia mennyiségét. Helyettesítsük be (f.2) az atommagok kötési energiáinak kifejezéseit (f.1), feltételezve, hogy A 1 = 240 és Z 1 = 90. Az (f.1) utolsó tagját annak kicsisége miatt figyelmen kívül hagyva, és helyettesítve az az a 2 és a 3 paraméterek értékeit kapjuk

Ebből azt kapjuk, hogy a hasadás energetikailag kedvező, ha Z 2 /A > 17. A Z 2 /A értékét oszthatósági paraméternek nevezzük. A hasadás során felszabaduló E energia a Z 2 /A növekedésével nő; Z 2 /A = 17 az ittrium és a cirkónium régiójában lévő magokra. A kapott becslésekből látható, hogy a maghasadás energetikailag kedvező minden A > 90 atommag esetében. Miért stabil a magok többsége a spontán hasadás szempontjából? A kérdés megválaszolásához nézzük meg, hogyan változik a mag alakja a hasadás során.

A maghasadás során a mag egymás után a következő szakaszokon halad át (2. ábra): golyó, ellipszoid, súlyzó, két körte alakú töredék, két gömbtöredék. Hogyan változik az atommag potenciális energiája a hasadás különböző szakaszaiban? Miután a hasadás megtörtént, és a töredékek egymástól távol, sokkal nagyobb távolságra vannak, mint a sugaruk, a fragmentumok potenciális energiája, amelyet a köztük lévő Coulomb-kölcsönhatás határoz meg, nullával egyenlőnek tekinthető.

Tekintsük a hasadás kezdeti szakaszát, amikor az atommag egyre megnyúló forgási ellipszoid alakját veszi fel növekvő r mellett. A hasadásnak ebben a szakaszában az r a mag gömb alakútól való eltérésének mértéke (3. ábra). Az atommag alakjának alakulása miatt potenciális energiájának változását a felület és az E"n + E"k Coulomb-energiák összegének változása határozza meg. Feltételezzük, hogy az atommag térfogata változatlan marad deformáció során. Ebben az esetben az E "p felületi energia növekszik, mivel az atommag felülete nő. A Coulomb-energia E" k csökken, mivel a nukleonok közötti átlagos távolság nő. Legyen a gömb alakú mag egy kis paraméterrel jellemezhető enyhe deformáció eredményeként tengelyirányban szimmetrikus ellipszoid alakja. Megmutatható, hogy az E "p" felületi energia és az E k Coulomb-energia a következőképpen változik.

Kis ellipszoid alakváltozások esetén a felületi energia növekedése gyorsabban megy végbe, mint a Coulomb-energia csökkenése. A 2En > Ek nehéz atommagok tartományában a felületi és a Coulomb-energiák összege a növekedéssel növekszik. Az (f.4) és (f.5)-ből az következik, hogy kis ellipszoid alakváltozásoknál a felületi energia növekedése megakadályozza az atommag további alakváltozását, és ennek következtében a maghasadást. Az (f.5) kifejezés kis értékekre (kis alakváltozásokra) érvényes. Ha a deformáció olyan nagy, hogy a mag súlyzó formát ölt, akkor a felületi feszültségek, mint a Coulomb-erők, hajlamosak elválasztani a magot, és gömb alakúvá teszik a töredékeket. Ebben a hasadási szakaszban a deformáció növekedése a Coulomb és a felületi energia csökkenésével jár. Azok. az atommag deformációjának fokozatos növekedésével potenciális energiája maximumon halad át. Most r jelentése a jövőbeli töredékek középpontjai közötti távolság. Ha a töredékek eltávolodnak egymástól, a kölcsönhatásuk potenciális energiája csökken, mivel a Coulomb taszítás Ek energiája csökken. 4. A potenciális energia nulla szintje két nem kölcsönható fragmentum felületi és Coulomb-energiájának összege. A potenciálgát jelenléte megakadályozza a pillanatnyi spontán maghasadást. Ahhoz, hogy az atommag azonnal felhasadjon, olyan Q energiát kell adni neki, amely meghaladja a H gát magasságát. A hasadómag maximális potenciális energiája megközelítőleg egyenlő e 2 Z 2 /(R 1 + R 2), ahol R 1 és R2 a fragmens sugarai. Például, ha egy aranymagot két azonos részre osztanak, e 2 Z 2 / (R 1 + R 2) \u003d 173 MeV, és a hasadás során felszabaduló E energiát ( lásd az (f.2) képletet) 132 MeV. Így az aranymag hasadásánál egy körülbelül 40 MeV magas potenciálgátat kell leküzdeni. Minél nagyobb a H gátmagasság, annál kisebb a Coulomb és az E és /E p felületi energiák aránya a kezdeti magban. Ez az arány pedig növekszik a Z 2 /A oszthatósági paraméter növekedésével ( lásd (f.4)). Minél nehezebb a mag, annál kisebb a H akadálymagasság , mivel az oszthatósági paraméter a tömegszám növekedésével növekszik:

Azok. a cseppmodell szerint a Z 2 /A > 49 értékű magoknak hiányozniuk kell a természetben, mivel spontán módon szinte azonnal hasadnak (10-22 s nagyságrendű jellemző magidőre). A Z 2 /A > 49 ("stabilitás szigete") atommagok létezését a héjszerkezet magyarázza. A H potenciálgát alakjának, magasságának és az E hasadási energiának a Z 2 /А oszthatósági paraméter értékétől való függését a ábra mutatja. 5.

Magok spontán hasadása Z 2 /A-val< 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 év 232 Th esetén 0,3 s 260 Ku esetén. Kényszeres maghasadás Z 2 /A-val < 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.