Что будет при деление урана

Деление ядра урана. Цепная реакция. Описание процесса

Деление ядра – это расщепление тяжелого атома на два фрагмента примерно равной массы, сопровождаемое выделением большого количества энергии.

Открытие ядерного деления начало новую эру – «атомный век». Потенциал возможного его использования и соотношение риска к пользе от его применения не только породили множество социологических, политических, экономических и научных достижений, но также и серьезные проблемы. Даже с чисто научной точки зрения процесс ядерного деления создал большое число головоломок и осложнений, и полное теоретическое его объяснение является делом будущего.

Делиться – выгодно

Энергии связи (на нуклон) у разных ядер различаются. Более тяжелые обладают меньшей энергией связи, чем расположенные в середине периодической таблицы.

Это означает, что тяжелым ядрам, у которых атомное число больше 100, выгодно делиться на два меньших фрагмента, тем самым высвобождая энергию, которая превращается в кинетическую энергию осколков. Этот процесс называется расщеплением атомного ядра.

В соответствии с кривой стабильности, которая показывает зависимость числа протонов от числа нейтронов для стабильных нуклидов, более тяжелые ядра предпочитают большее число нейтронов (по сравнению с количеством протонов), чем более легкие. Это говорит о том, что наряду с процессом расщепления будут испускаться некоторые «запасные» нейтроны. Кроме того, они будут также принимать на себя часть выделяющейся энергии. Изучение деления ядра атома урана показало, что при этом выделяется 3–4 нейтрона: 238 U → 145 La + 90 Br + 3n.

Атомное число (и атомная масса) осколка не равна половине атомной массы родителя. Разница между массами атомов, образовавшихся в результате расщепления, обычно составляет около 50. Правда, причина этого еще не совсем понятна.

Энергии связи 238 U, 145 La и 90 Br равны 1803, 1198 и 763 МэВ соответственно. Это означает, что в результате данной реакции высвобождается энергия деления ядра урана, равная 1198 + 763-1803 = 158 МэВ.

Самопроизвольное деление

Процессы спонтанного расщепления известны в природе, но они очень редки. Среднее время жизни указанного процесса составляет около 10 17 лет, а, например, среднее время жизни альфа-распада того же радионуклида составляет около 10 11 лет.

Причина этого заключается в том, что для того, чтобы разделиться на две части, ядро должно сначала подвергнуться деформации (растянуться) в эллипсоидальную форму, а затем, перед окончательным расщеплением на два фрагмента, образовать «горлышко» посредине.

Потенциальный барьер

В деформированном состоянии на ядро действуют две силы. Одна из них – возросшая поверхностная энергия (поверхностное натяжение капли жидкости объясняет ее сферическую форму), а другая – кулоновское отталкивание между осколками деления. Вместе они производят потенциальный барьер.

Как и в случае альфа-распада, чтобы произошло спонтанное деление ядра атома урана, фрагменты должны преодолеть этот барьер с помощью квантового туннелирования. Величина барьера составляет около 6 МэВ, как и в случае с альфа-распадом, но вероятность туннелирования α-частицы значительно больше, чем гораздо более тяжелого продукта расщепления атома.

Вынужденное расщепление

Гораздо более вероятным является индуцированное деление ядра урана. В этом случае материнское ядро ​​облучается нейтронами. Если родитель его поглощает, то они связываются, высвобождая энергию связи в виде колебательной энергии, которая может превысить 6 МэВ, необходимых для преодоления потенциального барьера.

Там, где энергии дополнительного нейтрона недостаточно для преодоления потенциального барьера, падающий нейтрон должен обладать минимальной кинетической энергией для того, чтобы иметь возможность индуцировать расщепление атома. В случае 238 U энергии связи дополнительных нейтронов не хватает около 1 МэВ. Это означает, что деление ядра урана индуцируется только нейтроном с кинетической энергией больше 1 МэВ. С другой стороны, изотоп 235 U имеет один непарный нейтрон. Когда ядро ​​поглощает дополнительный, он образует с ним пару, и в результате этого спаривания появляется дополнительная энергия связи. Этого достаточно для освобождения количества энергии, необходимого для того, чтобы ядро преодолело потенциальный барьер и деление изотопа происходило при столкновении с любым нейтроном.

Читайте также:  Брусок стали массой 25 кг нагрели на 50 на сколько

Бета-распад

Несмотря на то что при реакции деления испускаются три или четыре нейтрона, осколки по-прежнему содержат больше нейтронов, чем их стабильные изобары. Это означает, что фрагменты расщепления, как правило, неустойчивы по отношению к бета-распаду.

Например, когда происходит деление ядра урана 238 U, стабильным изобаром с А = 145 является неодим 145 Nd, что означает, что фрагмент лантан 145 La распадается в три этапа, каждый раз излучая электрон и антинейтрино, пока не будет образован стабильный нуклид. Стабильным изобаром с A = 90 является цирконий 90 Zr, поэтому осколок расщепления бром 90 Br распадается в пять этапов цепи β-распада.

Эти цепи β-распада выделяют дополнительную энергию, которая почти вся уносится электронами и антинейтрино.

Ядерные реакции: деление ядер урана

Прямое излучение нейтрона из нуклида со слишком большим их количеством для обеспечения стабильности ядра маловероятно. Здесь дело заключается в том, что нет кулоновского отталкивания, и поэтому поверхностная энергия имеет тенденцию к удержанию нейтрона в связи с родителем. Тем не менее это иногда происходит. Например, фрагмент деления 90 Br в первой стадии бета-распада производит криптон-90, который может быть находиться в возбужденном состоянии с достаточной энергией, чтобы преодолеть поверхностную энергию. В этом случае излучение нейтронов может происходить непосредственно с образованием криптона-89. Этот изобар по-прежнему неустойчив по отношению к β-распаду, пока не перейдет в стабильный иттрий-89, так что криптон-89 распадается в три этапа.

Деление ядер урана: цепная реакция

Нейтроны, испускаемые в реакции расщепления, могут быть поглощены другим ядром-родителем, которое затем само подвергается индуцированному делению. В случае урана-238 три нейтрона, которые возникают, выходят с энергией менее 1 МэВ (энергия, выделяющаяся при делении ядра урана – 158 МэВ – в основном переходит в кинетическую энергию осколков расщепления), поэтому они не могут вызвать дальнейшее деление этого нуклида. Тем не менее при значительной концентрации редкого изотопа 235 U эти свободные нейтроны могут быть захвачены ядрами 235 U, что действительно может вызвать расщепление, так как в этом случае отсутствует энергетический порог, ниже которого деление не индуцируется.

Таков принцип цепной реакции.

Типы ядерных реакций

Пусть k – число нейтронов, произведенное в образце делящегося материала на стадии n этой цепи, поделенное на число нейтронов, образованных на стадии n — 1. Это число будет зависеть от того, сколько нейтронов, полученных на стадии n — 1, поглощаются ядром, которое может подвергнуться вынужденному делению.

• Если k 235 U настолько мала, что вероятность поглощения одного из нейтронов этим изотопом крайне ничтожна.

• Если k > 1, то цепная реакция будет расти до тех пор, пока весь делящийся материал не будет использован (атомная бомба). Это достигается путем обогащения природной руды до получения достаточно большой концентрации урана-235. Для сферического образца величина k увеличивается с ростом вероятности поглощения нейтронов, которая зависит от радиуса сферы. Поэтому масса U должна превышать некоторую критическую массу, чтобы деление ядер урана (цепная реакция) могло происходить.

• Если k = 1, то имеет место управляемая реакция. Это используется в ядерных реакторах. Процесс контролируется распределением среди урана стержней из кадмия или бора, которые поглощают большую часть нейтронов (эти элементы обладают способностью захватывать нейтроны). Деление ядра урана контролируется автоматически путем перемещения стержней таким образом, чтобы величина k оставалась равной единице.

Источник

Что будет при деление урана

«Физика — 11 класс»

Делиться на части могут только ядра некоторых тяжелых элементов.
При делении ядер испускаются два-три нейтрона и γ-лучи.
Одновременно выделяется большая энергия.

Открытие деления урана

Деление ядер урана было открыто в 1938 г. немецкими учеными О. Ганом и Ф. Штрассманом.
Они установили, что при бомбардировке урана нейтронами возникают элементы средней части периодической системы: барий, криптон и др.
Однако правильное истолкование этого факта именно как деления ядра урана, захватившего нейтрон, было дано в начале 1939 г. английским физиком О. Фришем совместно с австрийским физиком Л. Мейтнер.

Читайте также:  Где применяется металл кобальт

Захват нейтрона нарушает стабильность ядра.
Ядро возбуждается и становится неустойчивым, что приводит к его делению на осколки.

Деление ядра возможно потому, что масса покоя тяжелого ядра больше суммы масс покоя осколков, возникающих при делении.

Поэтому происходит выделение энергии, эквивалентной уменьшению массы покоя, сопровождающему деление.
Но полная масса сохраняется, так как масса движущихся с большой скоростью осколков превышает их массу покоя.

Возможность деления тяжелых ядер можно также объяснить с помощью графика зависимости удельной энергии связи от массового числа A.
Удельная энергия связи ядер атомов элементов, занимающих в периодической системе последние места (А ≈ 200), примерно на 1 МэВ меньше удельной энергии связи в ядрах элементов, находящихся в середине периодической системы (А ≈ 100).
Поэтому процесс деления тяжелых ядер на ядра элементов средней части периодической системы является энергетически выгодным.
Система после деления переходит в состояние с минимальной внутренней энергией.
Ведь, чем больше энергия связи ядра, тем большая энергия должна выделяться при возникновении ядра и, следовательно, тем меньше внутренняя энергия образовавшейся вновь системы.

При делении ядра энергия связи, приходящаяся на каждый нуклон, увеличивается на 1 МэВ и общая выделяющаяся энергия должна быть огромной — порядка 200 МэВ.
Ни при какой другой ядерной реакции (не связанной с делением) столь больших энергий не выделяется.

Непосредственные измерения энергии, выделяющейся при делении ядра урана подтвердили приведенные соображения и дали значение ≈200 МэВ.
Причем большая часть этой энергии (168 МэВ) приходится на кинетическую энергию осколков.
На рисунке представлены треки осколков делящегося урана в камере Вильсона.

Выделяющаяся при делении ядра энергия имеет электростатическое, а не ядерное происхождение.
Большая кинетическая энергия, которую имеют осколки, возникает вследствие их кулоновского отталкивания.

Механизм деления ядра

Процесс деления атомного ядра можно объяснить на основе капельной модели ядра.
Согласно этой модели сгусток нуклонов напоминает капельку заряженной жидкости.
Ядерные силы между нуклонами являются короткодействующими, подобно силам, действующим между молекулами жидкости.
Наряду с большими силами электростатического отталкивания между протонами, стремящимися разорвать ядро на части, действуют еще бо́льшие ядерные силы притяжения.
Эти силы удерживают ядро от распада.

Ядро урана-235 имеет форму шара.
Поглотив лишний нейтрон, оно возбуждается и начинает деформироваться, приобретая вытянутую форму.
Ядро будет растягиваться до тех пор, пока силы отталкивания между половинками вытянутого ядра не начнут преобладать над силами притяжения, действующими в перешейке.
После этого оно разрывается на две части.
Под действием кулоновских сил отталкивания эти осколки разлетаются со скоростью, равной 1/30 скорости света.

Испускание нейтронов в процессе деления

Фундаментальный факт ядерного деления — испускание в процессе деления двух-трех нейтронов.
Именно благодаря этому оказалось возможным практическое использование внутриядерной энергии.

Понять, почему происходит испускание свободных нейтронов, можно исходя из следующих соображений.
Известно, что отношение числа нейтронов к числу протонов в стабильных ядрах возрастает с повышением атомного номера.
Поэтому у возникающих при делении осколков относительное число нейтронов оказывается большим, чем это допустимо для ядер атомов, находящихся в середине таблицы Менделеева.
В результате несколько нейтронов освобождается в процессе деления.
Их энергия имеет различные значения — от нескольких миллионов электрон-вольт до совсем малых, близких к нулю.

Деление обычно происходит на осколки, массы которых отличаются примерно в 1,5 раза.
Осколки эти сильно радиоактивны, так как содержат избыточное количество нейтронов.
В результате серии последовательных β-распадов в конце концов получаются стабильные изотопы.

Существует также спонтанное деление ядер урана.
Оно было открыто советскими физиками Г. Н. Флеровым и К. А. Петржаком в 1940 г.
Период полураспада для спонтанного деления равен 10 16 лет.
Это в два миллиона раз больше периода полураспада при α-распаде урана.

Читайте также:  Сэндвич металл что это

Реакция деления ядер сопровождается выделением энергии.

Деление атомных ядер тяжелых элементов возможно благодаря тому, что удельная энергия связи этих ядер меньше удельной энергии связи ядер элементов, находящихся в середине периодической системы Менделеева.

Источник: «Физика — 11 класс», учебник Мякишев, Буховцев, Чаругин

Физика атомного ядра. Физика, учебник для 11 класса — Класс!ная физика

Источник

Деление ядра атома урана

Средняя оценка: 4.4

Всего получено оценок: 88.

Средняя оценка: 4.4

Всего получено оценок: 88.

Ядерная реакция, имеющее наибольшее значение для энергетики – это деление ядер урана. Рассмотрим особенности этой реакции подробнее.

Открытие деления ядер урана

Большинство природных радиоактивных элементов сильно распылено. Поэтому добыча весовых количеств этих элементов уже представляет собой сложности. Изучение продуктов распада еще труднее, поскольку все природные радиоактивные элементы имеют длительные периоды полураспада, и получение весовых количеств веществ, пригодных для исследования, происходит крайне медленно. Поэтому интенсивное изучение радиоактивных распадов началось лишь после открытия нейтрона в 1932 г.

Нейтрон не имеет электрического заряда, и способен гораздо легче попадать в зону действия ядерных сил, чем заряженные протоны или альфа-частицы. Появляется возможность ускорить ядерные реакции, облучая пробу вещества нейтронами.

В результате таких исследований в 1938 г О. Ганом и Ф. Штрассманом было установлено, что при облучении урана нейтронами образуются боле легкие элементы, с массовыми числами меньше, чем массовое число урана, как правило, в полтора раза, в основном четвертого-пятого периодов таблицы Менделеева. Были построены уравнения таких ядерных реакций, описаны их энергетические параметры.

Рис. 1. Открытие деления ядер урана.

Механизм деления ядра

В 1939 г физиками О. Фришем и Л. Мейтнером была предложена капельная модель ядра, в рамках которой был описан процесс деления ядра атома урана.

В покое ядро урана можно представить в виде капли, состоящей из нуклонов (протонов и нейтронов). Протоны имеют одинаковый заряд и стремятся разлететься, однако, ядерные силы имеют большую мощность, и препятствуют этому.

В тяжелых элементах протонов очень много, и энергия ядерных сил лишь немного превышает энергию кулоновского отталкивания в сфере их действия (напомним, ядерные силы, в отличие от кулоновских – короткодействующие). Если в ядро попадает нейтрон, обладающий некоторой энергией, он передает ее ядру, в ядре, точно так же, как в реальной капле, возникают деформации, оно теряет сферическую форму, и часть ядра может оказаться в зоне, где ядерные силы резко убывают. В результате эта часть ядра отрывается от остальной части, и под действием кулоновских сил отталкивания они разлетаются с высокими скоростями (до 3% скорости света).

Рис. 2. Капельная модель деления ядра урана.

Поскольку доля нейтронов в устойчивых ядрах для легких элементов меньше, получается, что при делении ядра урана один или несколько нейтронов оказываются «лишними», они покидают зону распада, и могут попасть в другие ядра урана, являясь инициаторами цепной реакции деления. В такой реакции нейтрон, попавший в ядро, вызывает его деление, в результате которого возникают новые нейтроны, которые в свою очередь также вызывают новые деления ядер, и так далее.

Рис. 3. Цепная реакция деления.

В ядрах урана возможно и спонтанное деление, без возбуждения нейтроном. Удельная энергии связи у более легких элементов выше, а значит, ядру урана энергетически «выгодно» распасться на более легкие ядра. Этому препятствуют ядерные силы, нужен внешний возбуждающий импульс, но существует ненулевая вероятность, что в ядре начнется распад и без такого импульса. Однако, эта вероятность крайне низка, события происходят редко, и период полураспада для спонтанного деления очень велик – $10^<16>$ лет.

Что мы узнали?

Ядра урана при бомбардировке нейтронами способны делиться на более легкие части. Механизм деления описывается в рамках капельной модели ядра.

Источник

Поделиться с друзьями
Металл и камни