§ 39. Ядерные реакции. Деление ядер урана
Нейтроны приводят к делению ядра урана и освобождению огромной энергии. Продуктами этой ядерной реакции являются нейтроны, что даёт возможность осуществить цепную ядерную реакцию деления ядер урана.
Ядерными реакциями называют превращения атомных ядер при взаимодействии их между собой, с элементарными частицами (например, протонами, нейтронами или электронами) и квантами g-излучения. Для ядерной реакции необходимо, чтобы участвующие в ней ядра или частицы подошли друг к другу на расстояние, сравнимое с размером ядра (10-15 м). Нейтроны, даже не обладая большой скоростью, могут подойти к самому ядру, т.к. они электронейтральны. Наоборот, положительно заряженные частицы должны изначально обладать большой кинетической энергией, чтобы оказаться так близко к положительно заряженному ядру. Источниками таких высокоэнергетичных частиц могут быть радиоактивные препараты и ускорители заряженных частиц. В лабораторных условиях ядерная реакция впервые была проведена Резерфордом, когда он бомбардировал ядра азота a-частицами, в результате чего эти ядра превращались в ядра кислорода, что можно записать в виде:
Ядерные реакции могут происходить как с поглощением, так и с выделением энергии. Энергию, освобождающуюся или поглощаемую при ядерной реакции, называют энергетическим выходом ядерной реакции. Согласно закону сохранения энергии и теории относительности, устанавливающей связь между массой покоящегося ядра и его энергией, энергетический выход DЕ ядерной реакции равен:
DЕ = Dmc2, (39.1)
где Dm – разность между суммарной массой частиц и ядер, вступающих в реакцию и продуктов реакции. Если Dm >0, то ядерная реакция проходит с выделением энергии, а если Dm <0, то - с поглощением.
Примером ядерной реакции, идущей с выделением энергии, является деление ядер изотопа урана при облучении их «медленными» нейтронами, т.е. с кинетической энергией порядка 0,1 МэВ. Такую ядерную реакцию с образованием ядер ксенона и стронция можно записать в виде:
Используя формулу (39.1), можно вычислить, что энергетический выход реакции (39.2) составляет около 184 МэВ. Таким образом, при делении всех ядер, содержащихся в 1 г этого изотопа урана, выделится энергия около 7,5.1010 Дж, что эквивалентно энергии, получаемой при сжигании 2,5 тонн угля. Выделение такой огромной энергии при делении атомных ядер с массовым числом около 200 связано с тем, что удельная энергия связи этих ядер примерно на 1 МэВ меньше удельной энергии связи ядер с массовым около 100 (см. рис. 37).
Механизм деления тяжелого ядра под действием нейтрона можно объяснить, считая ядро капелькой заряженной жидкости (рис. 39а). В отсутствии внешних воздействий ядерные сил притяжения удерживают ядро от распада, придавая ему сферическую форму. Однако, поглотив нейтрон, ядро деформируется, принимая продолговатую форму, и сразу «короткодействующие» ядерные силы притяжения между областями R и L (см. рис. 39а) становятся меньше кулоновских сил их отталкивания, в результате чего ядро разрывается на две части.
Нейтроны, как показывает уравнение деления ядра (39.2), не только вызывают эту реакцию, но и являются её продуктами. А это значит, что любой из двух образовавшихся вторичных нейтронов или нейтронов 2-го поколения (рис. 39б) может вызвать деление соседних ядер , при делении которых возникнут нейтроны 3-го поколения и т.д., в результате чего число делящихся ядер очень быстро увеличивается. Ядерные реакции, в которых частицы, вызывающие их, образуются как продукты этих реакций, называют цепными ядерными реакциями.
Вопросы для повторения:
· Что называют ядерными реакциями?
· Как можно вычислить энергетическим выход ядерной реакции?
· Почему деление тяжёлых ядер сопровождается выделением энергии?
· Что называют цепными ядерными реакциями?
Рис. 39. (а) – различные моменты деления ядра (сверху-вниз, капельная модель); (б) – схема цепной ядерной реакции (слева-направо).