Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное агентство по образованию Федеральное государственное бюджетное учреждение высшего профессионального образования Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ» Институт международных отношений Факультет: «Управления и экономики высоких технологий» Кафедра: № 55 Институт международных отношений Специальность: 350200 «Международные отношения» реферат на тему: «Ядерные превращения. Деления Ядер». Подготовила: Косякова Галина У04-04 Оглавление Оглавление 3Введение 5Глава 1. Ядерные реакции 6^ Глава 2. История открытия 12Глава 3. Механизм деления ядер 15Глава 4. Стадии процесса деления ядер 22Глава 5. Виды деления ядер 25Глава 6. Энергия деления ядер 29^ Глава 7. Применение деления ядер. 31Заключение 42Список литературы: 44 Введение Атомное ядро. Ядерная энергетика. Атомный век. Эти и десятки других, так или иначе связанных со словом «ядро» терминов заполняют страницы газет, книг, научных статей, волнуют людей, пробуждая и ужас и надежды. Можно смело сказать, что никогда никакие научные открытия не играли такой огромной роли для всего человечества, как открытия в области ядерной физики. Даже совсем далекие от физики люди не могут относиться к ним безучастно. Ядерная физика ставит проблемы, решение которых прямо упирается в самый основной вопрос — вопрос о строении вещества вообще, т. е. в конечном итоге об элементарных частицах. Их иногда называют кирпичиками мироздания. В наше время, с каждым годом возрастают потребности человечества в энергии. В связи с этим совершенно очевидно, какое значение сегодня имеет использование ядерной энергии. Устройство, предназначенное для организации и поддержания цепной реакции деления ядер с целью получения энергии называется ядерным энергетическим реактором. В основе работы ядерного реактора лежат процессы взаимодействия нейтронов с ядерным веществом, наиболее важными из которых являются - реакция деления ядер, реакция радиационного захвата (поглощения) и реакция рассеяния. Целью данной работы является изучение явления деления ядер. Реакция распада атомного ядра на два фрагмента сравнимой массы называется делением. Деление бывает спонтанным и вынужденным (т.е. вызванным взаимодействием с налетающей частицей). Реакция деления тяжелых ядер под действием нейтронов лежит в основе методов получения ядерной энергии.^ Глава 1. Ядерные реакции Прежде чем перейти к детальному рассмотрению явления деления ядер, нужно разобраться в более широком понятии, в которое оно входит, таком как ядерная реакция в целом. Ядерная реакция — процесс образования новых ядер или частиц при столкновениях ядер или частиц. Открытие ядерных реакций имело принципиальное значение: впервые была доказана возможность искусственного превращения элементов. Правда, на первых порах удавалось превратить лишь ничтожное количество вещества. Это происходит потому, что число быстрых частиц, даваемых ускорителями или радиоактивными препаратами, сравнительно мало, и, кроме того, только малая доля этих частиц производит ядерные реакции. Например, одно ядерное превращение приходится на сто тысяч — миллион бомбардирующих a-частиц. Причину такого малого числа ядерных реакций нетрудно понять. Чтобы проникнуть внутрь атомного ядра, налетающая заряженная частица должна преодолеть огромные силы электростатического отталкивания, ибо и частица, и бомбардируемое ядро обладают положительным зарядом. Поэтому ядерные превращения могут производить только достаточно быстрые частицы, способные преодолеть электростатическое отталкивание. Но, двигаясь в веществе, быстрые частицы расходуют свою энергию на ионизацию и возбуждение атомов. Очень скоро они полностью затормаживаются, захватывают электроны и превращаются в нейтральные атомы. Ввиду малых размеров ядер лишь немногие частицы сталкиваются с ядром до того, как они растратят свою энергию. Только такие редкие случаи и приводят к ядерным расщеплениям. В цепных ядерных реакциях превращение атомов осуществляется уже в больших масштабах, не уступающих зачастую масштабам, в которых происходит превращение молекул в химических реакциях. Атомные ядра радиоактивных элементов неустойчивы, т. е. с течением времени они распадаются, испуская a- или b-частицы и превращаясь в ядра других элементов. Эти факты доказывают, что атомные ядра, несмотря на свои ничтожные размеры, являются сложными частицами, построенными из других, более простых частиц. Как было уже отмечено, радиоактивность не только свидетельствует о сложном строении атомных ядер, но также дает средства для изучения этого строения. Одним из таких средств являются быстрые a-частицы, способные проникать внутрь легких ядер и расщеплять их на части. Расщепление атомного ядра под действием a-частиц впервые наблюдал Резерфорд (в 1919 г.). Он заметил, что при облучении a-частицами азота, бора и других элементов возникают новые частицы, также создающие сцинтилляции, но отличающиеся от a-частиц большей проникающей способностью. С помощью магнитного отклонения и других методов удалось установить заряд и массу, а тем самым природу этих частиц. Они оказались быстродвижущимися ядрами атомов водорода. Надо помнить, что ядро водородного атома, или, как его называют, протон, обладает массой, очень близкой к 1 а. е. м., и зарядом +е. Процесс испускания протонов был изучен с помощью камеры Вильсона. Внутрь камеры Вильсона, заполненной азотом, помещался a-радиоактивный препарат. Периодически производилось расширение камеры и фотографирование получающейся картины. На снимках наблюдался веер следов a-частиц, исходящих из препарата (рис. 1, а). В подавляющем большинстве следы прямолинейны. В некоторых случаях, однако, след a-частицы на некотором расстоянии от конца пробега образует «вилку» (схема на рис. 1, б) — разветвляется на два неравных следа, из которых длинный (р) тоньше, а короткий (О) жирнее следа a-частицы. Образование такой «вилки» нельзя объяснить иначе, как результатом соударения a-частицы с ядром атома азота.Рис. 1. Расщепление ядра азота a-частицей в камере Вильсона: a) фотография следов в камере; б) схема следов «вилки»; a—след a-частицы, столкнувшейся в точке А с ядром азота, р и О — следы продуктов расщепления — протона и ядра кислорода.Опираясь на наблюдения Резерфорда, мы должны приписать один из следов «вилки» протону. Ввиду меньшего заряда протон действует на атомные электроны с меньшей силой, чем a-частица. Поэтому протон производит меньшую ионизацию на единице пути и образует в камере Вильсона более тонкий след. Более жирный след принадлежит частице, ионизующей сильнее a-частицы и обладающей, следовательно, большим зарядом. Природу этой частицы можно установить, используя законы сохранения заряда и массы. До соударения мы имели две частицы: 1) a-частицу (т. е. ядро атома гелия) с зарядом +2 единицы и массой 4 единицы и 2) ядро атома азота с зарядом +7 единиц и массой 14 единиц. Суммарный заряд равен +9 единиц, суммарная масса 18 единиц. После соударения также имеются две частицы, одна из которых является протоном (т. е. ядром атома водорода) с зарядом +1 и массой 1. На долю второй частицы остается заряд +8 и масса 17. Восьмым элементом периодической системы является кислород. Таким образом, рассматриваемая «вилка» указывает на явление превращения ядер азота и гелия в ядра кислорода и водорода. Вслед за открытием Резерфорда были найдены и другие подобные процессы, в которых происходит превращение ядер одних элементов в ядра других элементов. Такие процессы получили название ядерных реакций. Символически ядерная реакция азот + гелий = кислород + водород записывается следующим образом:При такой записи реакции верхняя строка цифр представляет запись условия сохранения массы (14+4=17+1), а нижняя — условия сохранения заряда (7+2=8+1). На протяжении курса физики мы познакомились с различными формами энергии, способными превращаться друг в друга. Сюда относятся кинетическая энергия движущихся тел, потенциальная энергия тел в поле сил тяготения, энергия электромагнитных полей, внутренняя энергия тел и т. д. Изучение ядерных превращений свидетельствует о существовании еще одной формы энергии — так называемой ядерной энергии. Ядерная энергия — это энергия, запасенная в атомных ядрах и переходящая в другие виды энергии при ядерных превращениях — при радиоактивном распаде ядер и ядерных реакциях. Ядерная энергия проявляется при любых превращениях ядер. Рассмотрим в качестве примеров ядерные реакции a-частицы с бериллием и азотом. В результате реакции образуются ядро углерода и нейтрон. Измерения показывают, что кинетическая энергия продуктов этой реакции больше кинетической энергии исходных ядер. В этой реакции происходит, следовательно, превращение скрытой ядерной энергии в кинетическую. Ядерная энергия, переходящая в кинетическую или обратно, может быть вычислена, если известны точные значения масс всех участвующих в реакции ядер. Действительно, по закону сохранения энергии приращение кинетической энергии равно убыли внутренней энергии ядер. Убыль же внутренней энергии, согласно закону Эйнштейна, равна разности масс покоя исходных и конечных продуктов реакции, умноженной на c2. Ядерная энергия подобна химической в том отношении, что оба вида энергии проявляются в процессах превращения частиц. Химическая энергия проявляется в процессах превращения молекул (т. е. в химических реакциях), ядерная энергия — в процессах превращения атомных ядер (т. е. в ядерных реакциях). Между ядерной и химической энергиями существует резкое различие в масштабе. Энергия химических реакций измеряется электронвольтами (так, например, при горении углерода освобождается энергия 4,1 эВ на молекулу СО2). Энергия ядерных превращений измеряется уже не электронвольтами, а мегаэлектронвольтами, т. е. по порядку величиныона в миллион раз больше. Большой масштаб энергии ядерных процессов обусловлен громадной величиной ядерных сил. Ядерные превращения, в которых запасы скрытой ядерной энергии переходят в другие виды энергии, играют большую роль в природе, а с 40-х годов нашего века и в технике. Простейшие из таких превращений — это явления радиоактивного распада. Энергия радиоактивных излучений превращается, в конечном счете, в тепло. Радиоактивное тепло имеет важное геологическое значение: распад содержащихся в земной коре урана, тория и калия является тем источником энергии, который обеспечивает высокую температуру в недрах Земли. В отличие от радиоактивности при ядерных реакциях скорость выделения энергии может изменяться в широких пределах, а выделяемая энергия достигать грандиозных величин. Ядерные реакции являются единственным из известных источников, обладающих достаточным запасом энергии, чтобы поддерживать лучеиспускание звезд в течение всего времени их существования, т. е. миллиарды лет. Ядерную реакцию, идущую за счет высокой температуры среды, называют термоядерной. Встает вопрос, как «поджигаются» термоядерные реакции в звездах. Вероятной причиной первоначального нагрева, «поджигающего» реакцию, является сжатие звездного вещества под действием сил тяготения, т. е. превращение потенциальной энергии тяготения во внутреннюю энергию. Освобождение больших количеств ядерной энергии в земных условиях долгое время казалось, вряд ли достижимой мечтой. Способы получения огромных температур (миллионы градусов), необходимых для «поджигания» термоядерной реакции, не были тогда известны. Использование же частиц, ускоренных ускорителями, не сулило перспектив. Быстрые заряженные частицы при движении в среде расходуют энергию на ионизацию и возбуждение атомов и вызывают ядерные реакции лишь с малой вероятностью. Ввиду этого затрата энергии на предварительное ускорение частиц превосходит выигрыш энергии от ядерной реакции. Положение коренным образом изменилось, когда изучение свойств нейтронов увенчалось открытием новой ядерной реакции — реакции деления атомных ядер. В результате опытов по облучению нейтронами урана было найдено, что под действием нейтронов ядра урана делятся на два ядра (осколка) примерно половинной массы и заряда; этот процесс сопровождается испусканием нескольких (двух-трех) нейтронов.^ Глава 2. История открытия История открытия деления ядер берет начало с работы А.Беккереля (1852–1908). Исследуя в 1896 фосфоресценцию различных материалов, он обнаружил, что минералы, содержащие уран, самопроизвольно испускают излучение, вызывающее почернение фотопластинки даже если между минералом и пластинкой поместить непрозрачное твердое вещество. Различные экспериментаторы установили, что это излучение состоит из альфа-частиц (ядер гелия), бета-частиц (электронов) и гамма-квантов (жесткого электромагнитного излучения). Первое превращение ядер, искусственно вызванное человеком, осуществил в 1919 Э.Резерфорд, который превратил азот в кислород, облучив азот альфа-частицами урана. Эта реакция сопровождалась поглощением энергии, поскольку масса ее продуктов – кислорода и водорода – превышает массу частиц, вступающих в реакцию, – азота и альфа-частиц. Выделение же ядерной энергии впервые удалось осуществить в 1932 Дж. Кокрофту и Э. Уолтону, бомбардировавшим литий протонами. В этой реакции масса вступавших в реакцию ядер была несколько больше массы продуктов, в результате чего и происходило выделение энергии. В 1932 Дж. Чедвик открыл нейтрон – нейтральную частицу с массой, примерно равной массе ядра атома водорода. Физики всего мира занялись изучением свойств этой частицы. Предполагалось, что лишенный электрического заряда и не отталкиваемый положительно заряженным ядром нейтрон будет с большей вероятностью вызывать ядерные реакции. Более поздние результаты подтвердили эту догадку. В Риме Э.Ферми с сотрудниками подвергли облучению нейтронами почти все элементы периодической системы и наблюдали ядерные реакции с образованием новых изотопов. Доказательством образования новых изотопов служила «искусственная» радиоактивность в форме гамма и бета - излучений. Ферми принадлежит открытие многих нейтронных реакций, известных сегодня. В частности, он пытался получить элемент с порядковым номером 93 (нептуний), бомбардируя нейтронами уран (элемент с порядковым номером 92). При этом он регистрировал электроны, испускаемые в результате захвата нейтронов в предполагаемой реакции238U + 1n 239Np + –, где 238U – изотоп урана-238, 1n – нейтрон, 239Np – нептуний и – электрон. Однако результаты оказались неоднозначными. Чтобы исключить возможность того, что регистрируемая радиоактивность принадлежит изотопам урана или другим элементам, расположенным в периодической системе перед ураном, пришлось проводить химический анализ радиоактивных элементов. Результаты анализа показали, что неизвестным элементам соответствуют порядковые номера 93, 94, 95 и 96. Поэтому Ферми сделал вывод, что он получил трансурановые элементы. Однако О.Ган и Ф. Штрасман в Германии, проведя тщательный химический анализ, установили, что среди элементов, возникающих в результате облучения урана нейтронами, присутствует радиоактивный барий. Это означало, что, вероятно, часть ядер урана делится на два крупных осколка. После этого Ферми, Дж. Даннинг и Дж. Пеграм из Колумбийского университета провели эксперименты, которые показали, что деление ядер действительно имеет место. Деление урана нейтронами было подтверждено методами пропорциональных счетчиков, камеры Вильсона, а также накопления осколков деления. Первый метод показал, что при приближении источника нейтронов к образцу урана испускаются импульсы большой энергии. В камере Вильсона было видно, что ядро урана, бомбардируемое нейтронами, расщепляется на два осколка. Последний метод позволил установить, что, как и предсказывала теория, осколки радиоактивны. Все это вместе взятое убедительно доказывало, что деление действительно происходит, и давало возможность уверенно судить об энергии, выделяющейся при делении. Поскольку допустимое отношение числа нейтронов к числу протонов в стабильных ядрах уменьшается с уменьшением размеров ядра, доля нейтронов у осколков должна быть меньше, чем у исходного ядра урана. Таким образом, были все основания предполагать, что процесс деления сопровождается испусканием нейтронов. Вскоре это было экспериментально подтверждено Ф. Жолио-Кюри и его сотрудниками: число нейтронов, испускаемых в процессе деления, было больше числа поглощенных нейтронов. Оказалось, что на один поглощенный нейтрон приходится приблизительно два с половиной новых нейтрона. Сразу стали очевидны возможность цепной реакции и перспективы создания исключительно мощного источника энергии и его использования в военных целях. После этого в ряде стран (особенно в Германии и США) в условиях глубокой секретности начались работы по созданию атомной бомбы. С 1940 по 1945 направление разработок определялось военными соображениями. В 1941 были получены небольшие количества плутония и установлен ряд ядерных параметров урана и плутония. В США важнейшие необходимые для этого производственные и научно-исследовательские предприятия были в ведении «Манхэттенского военно-инженерного округа», которому 13 августа 1942 был передан «Урановый проект». В Колумбийском университете (Нью-Йорк) группой сотрудников под руководством Э.Ферми и В.Цинна были проведены первые эксперименты, в которых изучалось размножение нейтронов в решетке из блоков диоксида урана и графита – атомном «котле». В январе 1942 эта работа была перенесена в Чикагский университет, где в июле 1942 были получены результаты, показывавшие возможность осуществления самоподдерживающейся цепной реакции. Первоначально реактор работал на мощности 0,5 Вт, но спустя 10 дней мощность была доведена до 200 Вт. Возможность получения больших количеств ядерной энергии была впервые продемонстрирована 16 июля 1945 при взрыве первой атомной бомбы на полигоне в Аламогордо (шт. Нью-Мексико).^ Глава 3. Механизм деления ядер Процесс деления может протекать только в том случае, когда потенциальная энергия начального состояния делящегося ядра превышает сумму масс осколков деления. Поскольку удельная энергия связи тяжёлых ядер уменьшается с увеличением их массы, это условие выполняется почти для всех ядер с массовым числом . Ядра тяжелых элементов - урана, плутония и некоторых других интенсивно поглощают тепловые нейтроны. После акта захвата нейтрона, тяжелое ядро с вероятностью ~ 0,8 делится на две неравные по массе части, называемые осколками или продуктами деления. При этом испускаются - быстрые нейтроны/ (в среднем около 2,5 нейтронов на каждый акт деления), отрицательно заряженные бета-частиц и нейтральные гамма - кванты, а энергия связи частиц в ядре преобразуется в кинетическую энергию осколков деления, нейтронов и других частиц. Эта энергия затем расходуется на тепловое возбуждение составляющих вещество атомов и молекул, т.е. на разогревание окружающего вещества. После акта деления ядер, рожденные при делении осколки ядер, будучи нестабильными, претерпевают ряд последовательных радиоактивных превращений и с некоторым запаздыванием испускают "запаздывающие" нейтроны, большое число альфа, бета и гамма - частиц. С другой стороны некоторые осколки обладают способностью интенсивно поглощать нейтроны. Однако, как показывает опыт, даже самые тяжёлые ядра делятся самопроизвольно с очень малой вероятностью. Это означает, что существует энергетический барьер (барьер деления), препятствующий делению. Для описания процесса деления ядер, включая вычисление барьера деления, используется несколько моделей, но ни одна из них не позволяет объяснить процесс полностью. Традиционно механизм деления рассматривается в рамках капельной модели ядра. В более тяжелых ядрах число нуклонов настолько велико, что многие наблюдаемые закономерности поведения этих ядер лучше всего воспроизводятся именно этой моделью. Рисунок 2 Её предложил в 1936 Н. Бор, чтобы объяснить большие времена жизни возбужденных ядер, образующихся при захвате медленных нейтронов. (В данном случае под временем жизни понимается время с момента возбуждения ядра до момента потери им энергии возбуждения в результате испускания излучения.) Времена жизни оказались в миллион раз больше времени, необходимого нейтрону, чтобы пересечь ядро (10–22 с). Это свидетельствует о том, что возбужденное ядро представляет собой некую систему («составное ядро»), время существования которой намного больше времени ее образования. Бор высказал предположение, что ядерная реакция протекает в две стадии. На первой падающая частица входит в ядро-мишень, образуя «составное ядро», где в многочисленных столкновениях теряет свою первоначальную энергию, распределяя ее среди других нуклонов ядра. В результате ни у одной из частиц не оказывается энергии, необходимой для вылета из ядра. Вторая стадия, распад составного ядра, происходит спустя некоторое время, когда энергия случайно сконцентрируется на одной из частиц или потеряется в виде гамма-излучения. Считается, что вторая стадия не зависит от деталей механизма образования составного ядра. Вид распада определяется лишь игрой возможных вариантов. Для деления с большой вероятностью тяжёлое ядро должно получить энергию извне, превышающую значение барьера деления. Так, после присоединения нейтрона ядро обладает энергией возбуждения, равной сумме энергии отделения, энергии связи нейтрона и кинетической энергии захваченного нейтрона. Этой дополнительной энергии может быть достаточно, чтобы ядро перешло в возбуждённое состояние с интенсивными колебаниями. Физически аналогичную ситуацию можно получить, если поместить каплю воды на горячую горизонтальную поверхность. Если поверхность достаточно горячая, то капля будет плавать на изолирующем слое пара, поддерживающем её над поверхностью в свободном состоянии. При этом могут возникнуть колебания формы капли, при которых она примет последовательно шарообразную и эллипсоидальную форму. Такое колебательное движение представляет собой состояние динамического равновесия между инерционным движением вещества капли и поверхностным натяжением, которое стремится поддерживать сферически симметричную форму капли. Если силы поверхностного натяжения достаточно велики, то процесс вытягивания капли прекратится раньше, чем капля разделится. Если же кинетическая энергия инерционного движения вещества капли окажется большой, то капля может принять гантелеобразную форму и при своём дальнейшем движении разделиться на две части. В случае ядра процесс происходит аналогично, только к нему добавляется электростатическое отталкивание протонов, действующее как дополнительный фактор против ядерных сил, удерживающих нуклоны в ядре. Если ядро находится в возбуждённом состоянии, то оно совершает колебательные движения, связанные с отклонениями его формы от сферической. Максимальная деформация увеличивается с ростом энергии возбуждения и при некотором её значении может превысить критическое значение, что приведёт к разрыву исходной капли и образованию двух новых. Колебательные движения возможны под действием сил поверхностного натяжения (аналог ядерных сил в капельной модели ядра) и кулоновских. На поясняющем рисунке 3 показано изменение потенциальной энергии и отдельных её составляющих в процессе деления заряженной капли.Рисунок 3. Изменение потенциальной энергии и её составляющих в процессе деления ядра. Энергия поверхностного натяжения резко возрастает с ростом малых деформаций (состояния 1-3) и остаётся практически неизменной после того, как капля приобретает гантелевидную форму (3-4). Энергия кулоновского взаимодействия плавно уменьшается с ростом деформаций практически во всём диапазоне состояний. Ядра, образовавшиеся после деления исходного ядра, разлетаются в противоположные стороны под действием кулоновских сил, и потенциальная энергия превращается в кинетическую (4-5). В итоге суммарная потенциальная энергия возрастает до момента деления капли, а затем уменьшается. Барьер деления равен разности между максимальным значением потенциальной энергии и её значением для исходного состояния, именно он препятствует самопроизвольному делению тяжёлых ядер. Разность между начальным значением потенциальной энергии и её минимальным конечным значением равна энергии реакции деления . Энергетически выгодно деление тяжёлых ядер ( больше нуля почти для всех ядер с ). Значения и зависят от массового числа ядра. Для ядер с барьер деления примерно равен 40—60 МэВ, с ростом значение уменьшается и для самых тяжёлых ядер становится равным приблизительно 6 МэВ. Для ядер с барьер деления равен практически нулю, поэтому таких ядер в природе нет. Энергия реакции деления возрастает с ростом массового числа от отрицательных значений для ядер с до около 200 МэВ для ядер с . Оценочные значения и для некоторых ядер: Таблица 1. A 16 60 100 140 200 236 , МэВ −14,5 −16 13,5 44 135 205 , МэВ 18,5 48 47 62 40 6 Таким образом, для реализации процесса деления с большой вероятностью ядро должно получить извне энергию, превышающую значение барьера деления. Такую энергию можно передать ядру различными способами (облучение гамма-квантами, бомбардировка частицами и др.). Из всех возможных способов практическое применение нашёл лишь один — образование возбуждённого составного ядра путём присоединения к исходному ядру нейтрона, вклад других способов деления в ядерных реакторах (в том числе фотоделение гамма-квантами) составляет меньше 1 %. Деление нейтронами имеет огромное преимущество по сравнению с другими по двум причинам: • пороговое значение кинетической энергии для нейтрона меньше, чем для гамма-кванта • деление ядер нейтронами сопровождается испусканием нейтронов, что создаёт основу для протекания цепной реакции деления. Но описание на основе капельной модели не в состоянии объяснить некоторые существенные особенности процесса деления, в частности, асимметрию масс осколков. Кроме того, параметры спонтанно делящихся ядерных изомеров и характер зависимости сечения реакции деления от энергии вызывающих её нейтронов свидетельствуют о том, что барьер деления тяжёлых ядер имеет не один, а два максимума (двугорбый барьер деления), между которыми находится вторая потенциальная яма. Упомянутые изомеры (первым из которых был открыт 242mAm) соответствуют наиболее низкому энергетическому уровню ядра во второй потенциальной яме Эти особенности деления получают своё объяснение при учёте оболочечных поправок к энергии, вычисляемой с помощью капельной модели. Соответствующий метод был предложен Струтинским в 1966 году. Оболочечные эффекты выражаются в увеличении или уменьшении плотности уровней энергии ядра; они присущи как сферически симметричным, так и деформированным состояниям ядер. Учёт этих эффектов усложняет зависимость энергии от параметра деформации по сравнению с капельной моделью. Для большинства ядер актиноидов в этой зависимости появляется вторая потенциальная яма, соответствующая сильной деформации ядра. Глубина этой ямы меньше глубины первой ямы (соответствующей основному состоянию ядра) на 2—4 МэВ. В общем случае деформация делящегося ядра описывается не одним, а несколькими параметрами. В таком многопараметрическом пространстве ядро может двигаться от начального состояния к точке разрыва различными путями. Такие пути называются модами (или каналами) деления. Так, в делении 235U тепловыми нейтронами выделяют три моды. Каждая мода деления характеризуется своими значениями асимметрии масс осколков деления и их полной кинетической энергии.^ Глава 4. Стадии процесса деления ядер Рисунок 4.Условное схематическое изображение стадий процесса деления (r — расстояние между образовавшимися ядрами, t — время протекания стадий). Деление начинается с образования составного ядра. Спустя примерно 10−14 секунды это ядро делится на два осколка, которые, ускоряясь под действием кулоновских сил, разлетаются в противоположные стороны. Ускоренное движение осколков заканчивается спустя 10−17 с с момента их образования. К этому времени они имеют суммарную кинетическую энергию примерно 170 МэВ и находятся на расстоянии друг от друга примерно 10−8 см, то есть порядка размера атома. Часть энергии деления переходит в энергию возбуждения осколков деления, которые ведут себя как любые возбуждённые ядра — либо переходят в основные состояния, излучая гамма-кванты, либо испускают нуклоны и превращаются в новые ядра, которые также могут оказаться в возбуждённом состоянии и их поведение будет аналогично поведению ядер, образовавшихся при делении исходного составного ядра. Испускание ядром нуклона возможно лишь в случае, когда энергия возбуждения превышает энергию связи нуклона в ядре, тогда он испускается с большей вероятностью, чем гамма-квант, так как последний процесс протекает гораздо медленнее. Чаще всего испускаемым нуклоном является нейтрон, так как ему не нужно преодолевать кулоновский барьер при вылете из ядра, а для осколков деления это ещё вероятнее, так как они перегружены нейтронами, что приводит к понижению энергии связи последних. Энергия возбуждения осколков деления примерно равна 20 МэВ, что намного больше энергии связи нейтронов в осколках, а, следовательно, возможно испускание одного или двух нейтронов каждым из осколков спустя 10−17−10−14 секунды с момента их образования. В результате практически мгновенно после деления составного ядра осколки деления испускают два или три нейтрона, которые принято называть мгновенными. Образовавшиеся ядра по-прежнему находятся в возбуждённых состояниях, однако в каждом из них энергия возбуждения меньше энергии связи нейтрона, поэтому остатки энергии возбуждения излучаются в виде гамма-квантов спустя 10−14−10−9 секунды с момента испускания нейтронов, такие гамма-кванты также называются мгновенными. В дальнейшем движение осколков деления не связано с их превращениями. Так как они увлекают за собой не все электроны исходного атома, из них образуются многозарядные ионы, кинетическая энергия которых тратится на ионизацию и возбуждение атомов среды, что вызывает их торможение. В результате ионы превращаются в нейтральные атомы с ядрами в основных энергетических состояниях. Такие атомы называются продуктами деления. Продукты деления имеют ядра со всё ещё избыточным количеством нейтронов по сравнению со стабильными ядрами в той же области массовых чисел и являются таким образом β−-радиоактивными, каждое из них служит началом серии β−-превращений, заканчивающихся только при достижении стабильного состояния. Ядра одной серии составляют так называемую цепочку распада, состоящую в среднем из трёх β−-переходов, скорость которых зависит от избытка нейтронов. В результате β−-распадов могут образовываться ядра в возбуждённых состояниях, которые переходят в основные состояния путём излучения гамма-квантов либо, крайне редко, превращаются в другие ядра путём испускания нейтронов. Такие нейтроны называются запаздывающими. Следует отметить, что в процессе деления возможно образование частиц, не упомянутых выше например α-частиц, но это встречается не так часто.^ Глава 5. Виды деления ядер Тяжелые ядра делятся как после слабого предварительного возбуждения атомного ядра, например, в результате облучения его нейтронами с энергией Tn ≈ 1 Мэв, а для некоторых ядер даже тепловыми нейтронами (вынужденное деление), так и без предварительного возбуждения, т. е. самопроизвольно (спонтанное деление). Ядра с Z В процессе деления ядра освобождается энергия Q ≈ 200 Мэв, значительную часть которой (~170 Мэв) уносят осколки в форме кинетической энергии. Осколки, образующиеся при делении, сильно перегружены нейтронами, вследствие чего они дают начало β--радиоактивным цепочкам из продуктов деления, а также испускают мгновенные (2—3 на один акт деления 92U) и запаздывающие (~ 1% мгновенных) нейтроны. В опытах по определению числа вторичных нейтронов, испускаемых в процессе вынужденного и спонтанного деления было получено приближенное значение этого числа ν, равное (для обоих случаев) ν = 2,2 ± 0,3. Мгновенные нейтроны испускаются движущимися осколками, запаздывающие - остановившимися продуктами деления поле предварительного β--распада. Спектр мгновенных нейтронов деления непрерывный, а запаздывающие нейтроны образуют несколько моноэнергетических групп. Вынужденное деление слабо возбужденных ядер и спонтанное деление происходят не симметрично: отношение масс легкого и тяжелого осколков равно примерно 2/3 (двугорбая массовая кривая). При повышении энергии возбуждения деление постепенно симметризуется, и кривая распределения осколков по массам становится одногорбой. Основные свойства процесса деления могут быть объяснены при помощи капельной модели ядра, которая позволяет вычислить ^ Q, понять роль параметра деления и объяснить природу спонтанного деления. Величина Q вычисляется как разность масс (энергий) исходного ядра и осколков, выраженных с помощью полуэмпирической формулы Вейцзеккера. Вычисление показывает, что деление энергетически выгодно (Q > 0) при Z2/A > 17 (т. е. при Z > 47), причем Q растет с ростом Z2/A. Из более подробного анализа следует, что в процессе деформации, предшествующей делению, энергия ядра должна первоначально возрастать и только после этого убывать (энергетический барьер деления). Высота барьера деления убывает с ростом Z2/A и при Z2/A = 45÷49 становится равной нулю (Z ≈ 120). Вынужденное деление возможно только при предварительном возбуждении ядра на энергию, превышающую высоту барьера деления. Спонтанное деление происходит в механизме туннельного перехода. При Z ≈ 120 спонтанное деление должно происходить мгновенно (за ядерное время). В этом отличии энергетической выгодности и энергетической возможности процесса нет ничего удивительного. Так, например, α-распад тяжелых ядер периодической системы всегда энергетически выгоден, однако из-за кулоновского барьера он оказывается энергетически невозможным в классической физике. Существование α-распада удается объяснить только при помощи квантово-механического эффекта прохождения α-частиц через потенциальный барьер. При этом из-за малой прозрачности потенциального барьера время жизни ядра относительно α-распада оказывается очень большим. Деление ядер может происходить многими путями. Всего при делении образуется около 80 радиоактивных различных ядер-осколков, которые в процессе β-распада преобразуются в другие ядра — продукты деления. В настоящее время хорошо изучено примерно 60 цепочек, в составе которых обнаружено около 200 продуктов деления. Таким образом, средняя длина цепочки составляет 3—4 звена. Ниже приведены три примера длинных цепочек радиоактивн