Fisiunea nucleelor ​​grele. energie de fisiune

Să calculăm cantitatea de energie eliberată în timpul fisiunii unui nucleu greu. Înlocuiți în (f.2) expresiile pentru energiile de legare ale nucleelor ​​(f.1), presupunând A 1 =240 și Z 1 = 90. Neglijând ultimul termen din (f.1) din cauza micii sale și înlocuind valorile parametrilor a 2 și a 3, obținem

De aici rezultă că fisiunea este favorabilă energetic când Z 2 /A > 17. Valoarea lui Z 2 /A se numește parametru de divizibilitate. Energia E, eliberată în timpul fisiunii, crește odată cu creșterea Z 2 /A; Z 2 /A = 17 pentru nucleele din regiunea ytriului și zirconiului. Din estimările obținute se poate observa că fisiunea este favorabilă din punct de vedere energetic pentru toate nucleele cu A > 90. De ce majoritatea nucleelor ​​este stabilă în raport cu fisiunea spontană? Pentru a răspunde la această întrebare, să vedem cum se modifică forma nucleului în timpul fisiunii.

În procesul de fisiune, nucleul trece succesiv prin următoarele etape (Fig. 2): minge, elipsoid, gantere, două fragmente în formă de para, două fragmente sferice. Cum se modifică energia potențială a nucleului în diferite stadii de fisiune? După ce fisiunea a avut loc, iar fragmentele sunt separate între ele cu o distanță mult mai mare decât raza lor, energia potențială a fragmentelor, determinată de interacțiunea coulombiană dintre ele, poate fi considerată egală cu zero.

Să luăm în considerare stadiul inițial al fisiunii, când nucleul ia forma unui elipsoid de revoluție din ce în ce mai alungit cu creșterea lui r. În acest stadiu al fisiunii, r este o măsură a abaterii nucleului de la o formă sferică (Fig. 3). Datorită evoluției formei nucleului, modificarea energiei potențiale a acestuia este determinată de modificarea sumei energiilor de suprafață și coulomb E"n + E"k. Se presupune că volumul nucleului rămâne neschimbat. în timpul deformării. În acest caz, energia de suprafață E "p crește, deoarece aria suprafeței nucleului crește. Energia Coulomb E" k scade, deoarece distanța medie dintre nucleoni crește. Fie ca miezul sferic, ca urmare a unei ușoare deformații caracterizată de un parametru mic, să ia forma unui elipsoid simetric axial. Se poate arăta că energia de suprafață E „p și energia coulombiană E” k în funcție de se modifică după cum urmează:

În cazul deformațiilor elipsoidale mici, creșterea energiei de suprafață are loc mai rapid decât scăderea energiei Coulomb.
În regiunea nucleelor ​​grele 2En > Ek, suma energiilor de suprafață și Coulomb crește odată cu creșterea . Din (f.4) și (f.5) rezultă că la mici deformații elipsoidale, creșterea energiei de suprafață împiedică modificări ulterioare ale formei nucleului și, în consecință, fisiunea. Expresia (f.5) este valabilă pentru valori mici (tulpini mici). Dacă deformarea este atât de mare încât nucleul ia forma unei gantere, atunci forțele de tensiune superficială, ca și forțele Coulomb, tind să separe nucleul și să dea fragmentelor o formă sferică. În această etapă de fisiune, o creștere a tensiunii este însoțită de o scădere atât a energiei Coulomb, cât și a energiei de suprafață. Acestea. cu o creștere treptată a deformării nucleului, energia sa potențială trece printr-un maxim. Acum r are sensul distanței dintre centrele fragmentelor viitoare. Pe măsură ce fragmentele se îndepărtează unul de celălalt, energia potențială a interacțiunii lor va scădea, deoarece energia repulsiei coulombiane E k scade. Dependența energiei potențiale de distanța dintre fragmente este prezentată în Fig. 4. Nivelul zero al energiei potențiale corespunde sumei energiilor de suprafață și Coulomb a două fragmente care nu interacționează.
Prezența unei bariere potențiale împiedică fisiunea nucleară spontană instantanee. Pentru ca nucleul să se despartă instantaneu, trebuie să i se acorde energie Q care depășește înălțimea barierei H. Energia potențială maximă a nucleului fisionabil este aproximativ egală cu
e2Z1Z2/(R1 +R2), unde R1 şi R2 sunt razele fragmentelor. De exemplu, atunci când un nucleu de aur este împărțit în două fragmente identice, e 2 Z 1 Z 2 / (R 1 + R 2) \u003d 173 MeV, iar cantitatea de energie E eliberată în timpul fisiunii () este de 132 MeV. Astfel, în timpul fisiunii nucleului de aur, este necesară depășirea unei bariere de potențial cu o înălțime de aproximativ 40 MeV.
Înălțimea barierei H este cu atât mai mare, cu atât este mai mic raportul dintre energiile Coulomb și de suprafață E și /E p în nucleul inițial. Acest raport, la rândul său, crește odată cu creșterea parametrului de divizibilitate Z 2 /A (). Cu cât miezul este mai greu, cu atât înălțimea barierei H este mai mică , deoarece parametrul de divizibilitate crește odată cu creșterea numărului de masă:

Acestea. Conform modelului de picătură, nucleele cu Z 2 /A > 49 ar trebui să fie absente în natură, deoarece se fisiunea spontan aproape instantaneu (într-un timp nuclear caracteristic de ordinul a 10 -22 s). Posibilitatea existenței nucleelor ​​atomice cu Z 2 /A > 49 („insula stabilității”) se explică prin structura învelișului. Dependența formei, a înălțimii barierei de potențial H și a energiei de fisiune E de valoarea parametrului de divizibilitate Z 2 /А este prezentată în Fig. 5.

Fisiunea spontană a nucleelor ​​cu 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 ani pentru 232 Th până la 21 ms pentru 260 Rf. Fisiunea nucleară forțată cu 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.

. energie de fisiune

Fisiunea a 235 U de către neutronii termici eliberează o energie de aproximativ 200 MeV. Dintre acestea, ~ 167 MeV este reprezentată de energia cinetică a fragmentelor. Restul energiei este distribuită între diferite particule care apar în procesul de fisiune și dezintegrare radioactivă a fragmentelor. O parte din energia de fisiune este transportată de -quanta emisă de fragmentele excitate imediat după plecarea neutronilor prompti (așa-numitele raze de fisiune instantanee), precum și de -quanta rezultată din - dezintegrarea fragmentelor. Aproximativ 5% din energia de fisiune este transportată de antineutrini formați în timpul - - dezintegrarii fragmentelor.
Energia de fisiune este distribuită după cum urmează

Fisiunea nucleară este divizarea unui atom greu în două fragmente de masă aproximativ egală, însoțită de eliberarea unei cantități mari de energie.

Descoperirea fisiunii nucleare a început o nouă eră - „era atomică”. Potențialul posibilei sale utilizări și raportul de risc de a beneficia de pe urma utilizării sale au generat nu numai multe realizări sociologice, politice, economice și științifice, ci și probleme serioase. Chiar și din punct de vedere pur științific, procesul de fisiune nucleară a creat un număr mare de puzzle-uri și complicații, iar explicația sa teoretică completă este o chestiune de viitor.

Împărțirea este profitabilă

Energiile de legare (pe nucleon) diferă pentru diferite nuclee. Cele mai grele au energii de legare mai mici decât cele situate la mijlocul tabelului periodic.

Aceasta înseamnă că pentru nucleele grele cu un număr atomic mai mare de 100, este avantajos să se împartă în două fragmente mai mici, eliberând astfel energie, care este convertită în energia cinetică a fragmentelor. Acest proces se numește divizare

Conform curbei de stabilitate, care arată dependența numărului de protoni de numărul de neutroni pentru nuclizii stabili, nucleele mai grele preferă mai mulți neutroni (comparativ cu numărul de protoni) decât pe cele mai ușoare. Acest lucru sugerează că, odată cu procesul de scindare, vor fi emiși niște neutroni „de rezervă”. În plus, vor prelua și o parte din energia eliberată. Studiul fisiunii nucleare a atomului de uraniu a arătat că sunt eliberați 3-4 neutroni: 238 U → 145 La + 90 Br + 3n.

Numărul atomic (și masa atomică) al fragmentului nu este egal cu jumătate din masa atomică a părintelui. Diferența dintre masele de atomi formate ca urmare a divizării este de obicei de aproximativ 50. Cu toate acestea, motivul pentru aceasta nu este încă pe deplin clar.

Energiile de legare ale 238 U, 145 La și 90 Br sunt 1803, 1198 și, respectiv, 763 MeV. Aceasta înseamnă că, în urma acestei reacții, se eliberează energia de fisiune a nucleului de uraniu, egală cu 1198 + 763-1803 = 158 MeV.

Diviziunea spontană

Procesele de scindare spontană sunt cunoscute în natură, dar sunt foarte rare. Durata medie de viață a acestui proces este de aproximativ 10 17 ani și, de exemplu, durata medie de viață a descompunerii alfa a aceluiași radionuclid este de aproximativ 10 11 ani.

Motivul pentru aceasta este că, pentru a se împărți în două părți, nucleul trebuie mai întâi deformat (întins) într-o formă elipsoidală și apoi, înainte de a se împărți în cele din urmă în două fragmente, să formeze un „gât” în mijloc.

Bariera potențială

În starea deformată, două forțe acționează asupra miezului. Una este energia de suprafață crescută (tensiunea superficială a unei picături de lichid explică forma sa sferică), iar cealaltă este repulsia Coulomb între fragmentele de fisiune. Împreună produc o barieră potențială.

Ca și în cazul dezintegrarii alfa, pentru ca fisiunea spontană a nucleului atomului de uraniu să aibă loc, fragmentele trebuie să depășească această barieră folosind tunelul cuantic. Bariera este de aproximativ 6 MeV, ca în cazul dezintegrarii alfa, dar probabilitatea tunelului unei particule alfa este mult mai mare decât a unui produs de fisiune atomică mult mai greu.

despicare forțată

Mult mai probabil este fisiunea indusă a nucleului de uraniu. În acest caz, nucleul părinte este iradiat cu neutroni. Dacă părintele o absoarbe, se leagă, eliberând energie de legare sub formă de energie vibrațională care poate depăși cei 6 MeV necesari pentru a depăși bariera potențială.

Acolo unde energia neutronului suplimentar este insuficientă pentru a depăși bariera de potențial, neutronul incident trebuie să aibă o energie cinetică minimă pentru a putea induce scindarea unui atom. În cazul 238 U, energia de legare a neutronilor suplimentari este de aproximativ 1 MeV. Aceasta înseamnă că fisiunea nucleului de uraniu este indusă doar de un neutron cu o energie cinetică mai mare de 1 MeV. Pe de altă parte, izotopul 235 U are un neutron nepereche. Când nucleul absoarbe unul suplimentar, formează o pereche cu acesta și, ca urmare a acestei împerecheri, apare o energie suplimentară de legare. Acest lucru este suficient pentru a elibera cantitatea de energie necesară nucleului pentru a depăși bariera potențială și fisiunea izotopului are loc la coliziunea cu orice neutron.

dezintegrare beta

Chiar dacă reacția de fisiune emite trei sau patru neutroni, fragmentele conțin încă mai mulți neutroni decât izobarele lor stabile. Aceasta înseamnă că fragmentele de clivaj sunt în general instabile împotriva degradarii beta.

De exemplu, când are loc fisiunea uraniului 238U, izobara stabilă cu A = 145 este neodim 145Nd, ceea ce înseamnă că fragmentul de lantan 145La se descompune în trei etape, emițând de fiecare dată un electron și un antineutrin, până când se formează un nuclid stabil. Izobara stabilă cu A = 90 este zirconiu 90 Zr; prin urmare, fragmentul de scindare a bromului 90 Br se descompune în cinci etape ale lanțului de descompunere β.

Aceste lanțuri de dezintegrare β eliberează energie suplimentară, care este aproape în totalitate transportată de electroni și antineutrini.

Reacții nucleare: fisiunea nucleelor ​​de uraniu

Emisia directă a unui neutron dintr-un nuclid cu prea multe dintre ele pentru a asigura stabilitatea nucleului este puțin probabilă. Ideea aici este că nu există repulsie coulombiană și, prin urmare, energia de suprafață tinde să mențină neutronul în legătură cu părintele. Cu toate acestea, asta se întâmplă uneori. De exemplu, un fragment de fisiune de 90 Br în prima etapă de dezintegrare beta produce krypton-90, care poate fi într-o stare excitată cu suficientă energie pentru a depăși energia de suprafață. În acest caz, emisia de neutroni poate avea loc direct odată cu formarea criptonului-89. încă instabil în ceea ce privește dezintegrarea β până când este convertit în ytriu-89 stabil, astfel încât criptonul-89 se descompune în trei pași.

Fisiunea nucleelor ​​de uraniu: o reacție în lanț

Neutronii emiși în reacția de fisiune pot fi absorbiți de un alt nucleu părinte, care apoi suferă o fisiune indusă. În cazul uraniului-238, cei trei neutroni care sunt produși ies cu o energie mai mică de 1 MeV (energia eliberată în timpul fisiunii nucleului de uraniu - 158 MeV - este transformată în principal în energia cinetică a fragmentelor de fisiune). ), deci nu pot provoca o fisiune suplimentară a acestui nuclid. Cu toate acestea, la o concentrație semnificativă a izotopului rar 235 U, acești neutroni liberi pot fi capturați de nuclee de 235 U, ceea ce poate provoca într-adevăr fisiunea, deoarece în acest caz nu există un prag de energie sub care fisiunea să nu fie indusă.

Acesta este principiul unei reacții în lanț.

Tipuri de reacții nucleare

Fie k numărul de neutroni produși într-o probă de material fisionabil în etapa n a acestui lanț, împărțit la numărul de neutroni produși în etapa n - 1. Acest număr va depinde de câți neutroni produși în etapa n - 1 sunt absorbiți de nucleu, care poate fi forțat să se divizeze.

Dacă 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.

Dacă k > 1, atunci reacția în lanț va crește până când tot materialul fisionabil a fost folosit.Acest lucru se realizează prin îmbogățirea minereului natural pentru a obține o concentrație suficient de mare de uraniu-235. Pentru o probă sferică, valoarea lui k crește odată cu creșterea probabilității de absorbție a neutronilor, care depinde de raza sferei. Prin urmare, masa U trebuie să depășească o anumită cantitate pentru ca fisiunea nucleelor ​​de uraniu să aibă loc (reacție în lanț).

Dacă k = 1, atunci are loc o reacție controlată. Acesta este folosit în reactoare nucleare. Procesul este controlat prin distribuirea baghetelor de cadmiu sau bor între uraniu, care absorb majoritatea neutronilor (aceste elemente au capacitatea de a capta neutroni). Fisiunea nucleului de uraniu este controlată automat prin deplasarea tijelor în așa fel încât valoarea lui k să rămână egală cu unu.

>> fisiunea uraniului

§ 107 FISIA NUCLEILOR URANIUS

Doar nucleele unor elemente grele pot fi împărțite în părți. În timpul fisiunii nucleelor ​​sunt emise doi sau trei neutroni și raze -. În același timp, se eliberează multă energie.

Descoperirea fisiunii uraniului. Fisiunea nucleelor ​​de uraniu a fost descoperită în 1938 de oamenii de știință germani O. Hahn și F. Strassmann. Ei au stabilit că atunci când uraniul este bombardat cu neutroni, apar elemente din partea de mijloc a sistemului periodic: bariu, cripton etc. Totuși, interpretarea corectă a acestui fapt tocmai ca fisiunea nucleului de uraniu care a captat neutronul a fost dată la începutul anului 1939 de către fizicianul englez O. Frisch împreună cu fizicianul austriac L. Meitner.

Captarea unui neutron distruge stabilitatea nucleului. Nucleul este excitat și devine instabil, ceea ce duce la divizarea lui în fragmente. Fisiunea nucleară este posibilă deoarece masa de repaus a unui nucleu greu este mai mare decât suma maselor de repaus ale fragmentelor care apar în timpul fisiunii. Prin urmare, există o eliberare de energie echivalentă cu o scădere a masei de repaus care însoțește fisiunea.

Posibilitatea de fisiune a nucleelor ​​grele poate fi explicată și folosind un grafic al dependenței energiei specifice de legare de numărul de masă A (vezi Fig. 13.11). Energia specifică de legare a nucleelor ​​atomilor elementelor care ocupă ultimele locuri în sistemul periodic (A 200) este cu aproximativ 1 MeV mai mică decât energia specifică de legare din nucleele elementelor situate în mijlocul sistemului periodic (A 100) . Prin urmare, procesul de fisiune a nucleelor ​​grele în nuclee de elemente din partea de mijloc a sistemului periodic este favorabil energetic. După fisiune, sistemul intră într-o stare cu energie internă minimă. La urma urmei, cu cât energia de legare a nucleului este mai mare, cu atât energia trebuie eliberată mai mare atunci când apare nucleul și, în consecință, cu atât energia internă a sistemului nou format este mai mică.

În timpul fisiunii nucleare, energia de legare per nucleon crește cu 1 MeV, iar energia totală eliberată trebuie să fie uriașă - aproximativ 200 MeV. Nicio altă reacție nucleară (care nu are legătură cu fisiunea) nu eliberează energii atât de mari.

Măsurătorile directe ale energiei eliberate în timpul fisiunii nucleului de uraniu au confirmat considerațiile de mai sus și au dat o valoare de 200 MeV. Mai mult, cea mai mare parte din această energie (168 MeV) cade pe energia cinetică a fragmentelor. În Figura 13.13 se vede urmele fragmentelor de uraniu fisil într-o cameră cu nori.

Energia eliberată în timpul fisiunii nucleare este mai degrabă de origine electrostatică decât nucleară. Energia cinetică mare pe care o au fragmentele apare din cauza repulsiei lor coulombice.

mecanismul fisiunii nucleare. Procesul de fisiune nucleară poate fi explicat pe baza modelului de picătură al nucleului. Conform acestui model, o grămadă de nucleoni seamănă cu o picătură de lichid încărcat (Fig. 13.14, a). Forțele nucleare dintre nucleoni sunt cu rază scurtă, ca și forțele care acționează între moleculele lichide. Alături de forțele puternice de repulsie electrostatică dintre protoni, care au tendința de a rupe nucleul, există încă forțe nucleare mari de atracție. Aceste forțe împiedică nucleul să se dezintegreze.

Nucleul de uraniu-235 este sferic. După ce a absorbit un neutron în plus, acesta este excitat și începe să se deformeze, dobândind o formă alungită (Fig. 13.14, b). Miezul se va întinde până când forțele de respingere dintre jumătățile miezului alungit încep să prevaleze asupra forțelor de atracție care acționează în istm (Fig. 13.14, c). După aceea, este rupt în două părți (Fig. 13.14, d).

Sub acțiunea forțelor de respingere Coulomb, aceste fragmente se despart cu o viteză egală cu 1/30 din viteza luminii.

Emisia de neutroni în timpul fisiunii. Faptul fundamental al fisiunii nucleare este emisia a doi sau trei neutroni în timpul fisiunii. Datorită acestui fapt, utilizarea practică a energiei intranucleare a devenit posibilă.

Este posibil să înțelegem de ce sunt emiși neutroni liberi din următoarele considerații. Se știe că raportul dintre numărul de neutroni și numărul de protoni din nucleele stabile crește odată cu creșterea numărului atomic. Prin urmare, în fragmentele care apar în timpul fisiunii, numărul relativ de neutroni se dovedește a fi mai mare decât este permis pentru nucleele atomilor situate în mijlocul tabelului periodic. Ca rezultat, mai mulți neutroni sunt eliberați în procesul de fisiune. Energia lor are valori diferite - de la câteva milioane de electroni volți la foarte mici, aproape de zero.

Fisiunea are loc de obicei în fragmente, ale căror mase diferă de aproximativ 1,5 ori. Aceste fragmente sunt foarte radioactive, deoarece conțin o cantitate în exces de neutroni. Ca urmare a unei serii de dezintegrari succesive, se obțin în cele din urmă izotopi stabili.

În concluzie, observăm că există și fisiunea spontană a nucleelor ​​de uraniu. A fost descoperit de fizicienii sovietici G. N. Flerov și K. A. Petrzhak în 1940. Timpul de înjumătățire pentru fisiunea spontană este de 10 16 ani. Acesta este de două milioane de ori mai lung decât timpul de înjumătățire al descompunerii uraniului.

Reacția de fisiune nucleară este însoțită de eliberarea de energie.

Conținutul lecției rezumatul lecției suport cadru prezentarea lecției metode accelerative tehnologii interactive Practică sarcini și exerciții ateliere de autoexaminare, instruiri, cazuri, quest-uri teme pentru acasă întrebări discuții întrebări retorice de la elevi Ilustrații audio, clipuri video și multimedia fotografii, imagini grafice, tabele, scheme umor, anecdote, glume, benzi desenate, pilde, proverbe, cuvinte încrucișate, citate Suplimente rezumate articole jetoane pentru curioase cheat sheets manuale de bază și glosar suplimentar de termeni altele Îmbunătățirea manualelor și lecțiilorcorectarea erorilor din manual actualizarea unui fragment în manual elemente de inovare în lecție înlocuirea cunoștințelor învechite cu altele noi Doar pentru profesori lecții perfecte plan calendaristic pentru anul recomandări metodologice ale programului de discuții Lecții integrate

Are loc fisiunea nucleelor ​​de uraniu in felul urmator: mai întâi, un neutron lovește nucleul, ca un glonț într-un măr. În cazul unui măr, un glonț ar fi făcut o gaură în el sau l-ar fi făcut bucăți. Când un neutron intră în nucleu, este capturat de forțele nucleare. Se știe că neutronul este neutru, deci nu este respins de forțele electrostatice.

Cum are loc fisiunea uraniului?

Deci, după ce a intrat în compoziția nucleului, neutronul rupe echilibrul și nucleul este excitat. Se întinde în lateral ca o ganteră sau un semn de infinit: ∞ . Forțele nucleare, după cum se știe, acționează la o distanță proporțională cu dimensiunea particulelor. Când nucleul este întins, acțiunea forțelor nucleare devine nesemnificativă pentru particulele extreme ale „ganterei”, în timp ce forțele electrice acționează foarte puternic la o astfel de distanță, iar nucleul se rupe pur și simplu în două părți. În acest caz, sunt emiși și doi sau trei neutroni.

Fragmente de nucleu și neutronii eliberați se împrăștie cu viteză mare în direcții diferite. Fragmentele sunt decelerate destul de repede de mediu, dar energia lor cinetică este enormă. Se transformă în energia internă a mediului, care se încălzește. În acest caz, cantitatea de energie eliberată este enormă. Energia obținută din fisiunea completă a unui gram de uraniu este aproximativ egală cu energia obținută din arderea a 2,5 tone de petrol.

Reacția în lanț de fisiune a mai multor nuclee

Am luat în considerare fisiunea unui nucleu de uraniu. În timpul fisiunii, au fost eliberați mai mulți neutroni (cel mai adesea doi sau trei). Se împrăștie în lateral cu viteză mare și pot cădea cu ușurință în nucleele altor atomi, provocând o reacție de fisiune în ei. Aceasta este reacția în lanț.

Adică, neutronii obținuți ca urmare a fisiunii nucleare excită și forțează alte nuclee la fisiune, care, la rândul lor, emit neutroni care continuă să stimuleze fisiunea în continuare. Și așa mai departe până când are loc fisiunea tuturor nucleelor ​​de uraniu din imediata apropiere.

În acest caz, poate apărea o reacție în lanț ca o avalanșă, de exemplu, în cazul exploziei unei bombe atomice. Numărul de fisiune nucleară crește exponențial într-o perioadă scurtă de timp. Cu toate acestea, poate apărea o reacție în lanț cu amortizare.

Cert este că nu toți neutronii întâlnesc nuclee în drumul lor, pe care le induc la fisiune. După cum ne amintim, în interiorul substanței volumul principal este ocupat de golul dintre particule. Prin urmare, unii neutroni zboară prin toată materia fără să se ciocnească de nimic pe parcurs. Și dacă numărul de fisiune nucleară scade în timp, atunci reacția se estompează treptat.

Reacțiile nucleare și masa critică a uraniului

Ce determină tipul de reacție? Din masa uraniului. Cu cât masa este mai mare, cu atât neutronul zburător va întâlni mai multe particule pe drum și are mai multe șanse să pătrundă în nucleu. Prin urmare, se distinge o „masă critică” de uraniu - aceasta este o astfel de masă minimă la care este posibilă o reacție în lanț.

Numărul de neutroni formați va fi egal cu numărul de neutroni care au zburat. Și reacția se va desfășura aproximativ la aceeași viteză până când se produce întregul volum al substanței. Aceasta este folosită în practică în centralele nucleare și se numește reacție nucleară controlată.

Fisiune nucleara- procesul de scindare a unui nucleu atomic în două (rar trei) nuclee cu mase similare, numite fragmente de fisiune. Ca urmare a fisiunii, pot apărea și alți produși de reacție: nuclee ușoare (în principal particule alfa), neutroni și cuante gamma. Fisiunea poate fi spontană (spontană) și forțată (ca rezultat al interacțiunii cu alte particule, în primul rând cu neutronii). Fisiunea nucleelor ​​grele este un proces exotermic, în urma căruia se eliberează o cantitate mare de energie sub formă de energie cinetică a produselor de reacție, precum și radiație. Fisiunea nucleară servește ca sursă de energie în reactoarele nucleare și în armele nucleare. Procesul de fisiune poate decurge numai atunci când energia potențială a stării inițiale a nucleului de fisiune depășește suma maselor fragmentelor de fisiune. Deoarece energia de legare specifică a nucleelor ​​grele scade odată cu creșterea masei, această condiție este îndeplinită pentru aproape toate nucleele cu număr de masă .

Cu toate acestea, după cum arată experiența, chiar și cele mai grele nuclee sunt divizate spontan cu o probabilitate foarte mică. Aceasta înseamnă că există o barieră energetică ( barieră de fisiune) pentru a preveni diviziunea. Mai multe modele sunt folosite pentru a descrie procesul de fisiune nucleară, inclusiv calculul barierei de fisiune, dar niciunul dintre ele nu poate explica pe deplin procesul.

Faptul că energia este eliberată în timpul fisiunii nucleelor ​​grele rezultă direct din dependența energiei specifice de legare ε = E St (A, Z) / A din numărul de masă A. În timpul fisiunii unui nucleu greu se formează nuclee mai ușoare, în care nucleonii sunt legați mai puternic, iar o parte din energie este eliberată în timpul fisiunii. De regulă, fisiunea nucleară este însoțită de emisia a 1-4 neutroni. Să exprimăm energia Q părților de fisiune în termenii energiilor de legare ale nucleelor ​​inițiale și finale. Energia nucleului inițial, format din Z protoni și N neutroni, și având o masă M (A, Z) și o energie de legătură E St (A, Z), scriem sub următoarea formă:

M(A,Z)c 2 = (Zm p + Nm n)c 2 - E St (A,Z).

Împărțirea nucleului (A, Z) în 2 fragmente (A 1, Z 1) și (A 2, Z 2) este însoțită de formarea de N n = A – A 1 – A 2 neutroni prompti. Dacă nucleul (A,Z) este împărțit în fragmente cu mase M 1 (A 1 ,Z 1), M 2 (A 2 ,Z 2) și energii de legare E st1 (A 1 ,Z 1), E st2 (A). 2 , Z 2), atunci pentru energia de fisiune avem expresia:

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 \u003d Z 1 + Z 2.

23. Teoria elementară a fisiunii.

În 1939 N. Borși J. Wheeler, precum și Da, Frenkel cu mult înainte ca fisiunea să fie studiată experimental, a fost propusă o teorie a acestui proces, bazată pe conceptul nucleului ca picătură de lichid încărcat.

Energia eliberată în timpul fisiunii poate fi obținută direct din formule Weizsäcker.

Să calculăm cantitatea de energie eliberată în timpul fisiunii unui nucleu greu. Înlocuiți în (f.2) expresiile pentru energiile de legare ale nucleelor ​​(f.1), presupunând A 1 =240 și Z 1 = 90. Neglijând ultimul termen din (f.1) din cauza micii sale și înlocuind valorile parametrilor a 2 și a 3, obținem

De aici rezultă că fisiunea este favorabilă energetic când Z 2 /A > 17. Valoarea lui Z 2 /A se numește parametru de divizibilitate. Energia E, eliberată în timpul fisiunii, crește odată cu creșterea Z 2 /A; Z 2 /A = 17 pentru nucleele din regiunea ytriului și zirconiului. Din estimările obținute se poate observa că fisiunea este favorabilă din punct de vedere energetic pentru toate nucleele cu A > 90. De ce majoritatea nucleelor ​​este stabilă în raport cu fisiunea spontană? Pentru a răspunde la această întrebare, să vedem cum se modifică forma nucleului în timpul fisiunii.

În procesul de fisiune, nucleul trece secvenţial prin următoarele etape (Fig. 2): o minge, un elipsoid, o ganteră, două fragmente în formă de para, două fragmente sferice. Cum se modifică energia potențială a nucleului în diferite stadii de fisiune? După ce fisiunea a avut loc, iar fragmentele sunt separate între ele cu o distanță mult mai mare decât raza lor, energia potențială a fragmentelor, determinată de interacțiunea coulombiană dintre ele, poate fi considerată egală cu zero.

Să luăm în considerare stadiul inițial al fisiunii, când nucleul ia forma unui elipsoid de revoluție din ce în ce mai alungit cu creșterea lui r. În acest stadiu al fisiunii, r este o măsură a abaterii nucleului de la o formă sferică (Fig. 3). Datorită evoluției formei nucleului, modificarea energiei potențiale a acestuia este determinată de modificarea sumei energiilor de suprafață și coulomb E"n + E"k. Se presupune că volumul nucleului rămâne neschimbat. în timpul deformării. În acest caz, energia de suprafață E "p crește, deoarece aria suprafeței nucleului crește. Energia Coulomb E" k scade, deoarece distanța medie dintre nucleoni crește. Fie ca miezul sferic, ca urmare a unei ușoare deformații caracterizată de un parametru mic, să ia forma unui elipsoid simetric axial. Se poate arăta că energia de suprafață E „p și energia coulombiană E” k în funcție de se modifică după cum urmează:

În cazul deformațiilor elipsoidale mici, creșterea energiei de suprafață are loc mai rapid decât scăderea energiei Coulomb. În regiunea nucleelor ​​grele 2En > Ek, suma energiilor de suprafață și Coulomb crește odată cu creșterea . Din (f.4) și (f.5) rezultă că la mici deformații elipsoidale, creșterea energiei de suprafață împiedică modificări ulterioare ale formei nucleului și, în consecință, fisiunea. Expresia (f.5) este valabilă pentru valori mici (deformații mici). Dacă deformarea este atât de mare încât nucleul ia forma unei gantere, atunci forțele de tensiune superficială, ca și forțele Coulomb, tind să separe nucleul și să dea fragmentelor o formă sferică. În această etapă de fisiune, o creștere a tensiunii este însoțită de o scădere atât a energiei Coulomb, cât și a energiei de suprafață. Acestea. cu o creștere treptată a deformării nucleului, energia sa potențială trece printr-un maxim. Acum r are sensul distanței dintre centrele fragmentelor viitoare. Când fragmentele se îndepărtează unul de celălalt, energia potențială a interacțiunii lor va scădea, deoarece energia repulsiei coulombiene Ek scade. Dependența energiei potențiale de distanța dintre fragmente este prezentată în Fig. 4. Nivelul zero al energiei potențiale corespunde sumei energiilor de suprafață și Coulomb a două fragmente care nu interacționează. Prezența unei bariere potențiale împiedică fisiunea nucleară spontană instantanee. Pentru ca nucleul să se despartă instantaneu, trebuie să i se acorde energie Q care depășește înălțimea barierei H. Energia potențială maximă a nucleului fisionabil este aproximativ egală cu e 2 Z 2 /(R 1 + R 2), unde R 1 și R2 sunt razele fragmentului. De exemplu, atunci când un nucleu de aur este împărțit în două fragmente identice, e 2 Z 2 / (R 1 + R 2) \u003d 173 MeV și energia E eliberată în timpul fisiunii ( vezi formula (f.2)) este egal cu 132 MeV. Astfel, în fisiunea unui nucleu de aur, este necesară depășirea unei bariere potențiale cu o înălțime de aproximativ 40 MeV. Înălțimea barierei H este cu atât mai mare, cu atât este mai mic raportul dintre energiile Coulomb și de suprafață E și /E p în nucleul inițial. Acest raport, la rândul său, crește odată cu creșterea parametrului de divizibilitate Z 2 /A ( vezi (f.4)). Cu cât miezul este mai greu, cu atât înălțimea barierei H este mai mică , deoarece parametrul de divizibilitate crește odată cu creșterea numărului de masă:

Acestea. Conform modelului de picătură, nucleele cu Z 2 /A > 49 ar trebui să fie absente în natură, deoarece se fisiunea spontan aproape instantaneu (într-un timp nuclear caracteristic de ordinul a 10 -22 s). Existența nucleelor ​​atomice cu Z 2 /A > 49 („insula stabilității”) se explică prin structura învelișului. Dependența formei, a înălțimii barierei de potențial H și a energiei de fisiune E de valoarea parametrului de divizibilitate Z 2 /А este prezentată în Fig. 5.

Fisiunea spontană a nucleelor ​​cu 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 ani pentru 232 Th la 0,3 s pentru 260 Ku. Fisiunea nucleară forțată cu 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.