нижнее белье для полных
მედიცინის კვლევები

   Велика Радянська Енциклопедія

Ядра атомного ділення

   
 

Ядра атомного ділення , процес розщеплення атомного ядра на декілька більш легких ядер - "осколків", найбільш часто - на 2 осколка, близьких за масою. У 1938 німецькі вчені О. Ган і Ф. Штрасман встановили, що при бомбардуванні урану нейтронами утворюються ядра лужноземельних елементів, зокрема - ядра Ba. Дещо пізніше австрійський фізики Л. Майтнер і О. Фріш показали, що ядро ?? 235 U ділиться під дією нейтрона на 2 осколка. Вони ввели термін "розподіл ядер", маючи на увазі подібність цього явища з поділом клітин в біології. Вони ж дали перше якостей, пояснення Я. а. д.

Початкова стадія поділу - повільне зміна форми ядра, при якому з'являється шийка, що з'єднує 2 ще не повністю сформованих осколка ( рис. 1 , а, б) . Час проходження цієї стадії (10 -14 - 10 -18 сек ) залежить від того, наскільки сильно порушено делящееся ядро. Поступово шийка утоньшается, і в деякий момент відбувається її розрив ( рис. 1 , в). Утворені оскільки з великою енергією розлітаються в протилежні сторони ( рис. 1 , г).

Деформація ядра при діленні супроводжується зміною його потенційної енергії ( рис. 2 ). Для того щоб ядро ??досягло форми, попередньої його розриву, необхідна витрата певної енергії для подолання потенційного бар'єру , називається бар'єром поділу. Цю енергію зазвичай ядро ??отримує ззовні, в результаті тієї чи іншої ядерної реакції (наприклад, при захопленні нейтрона). Я. а. д. спостерігається для всіх ядер важче Ag, однак імовірність його у багато разів більше для самих важких елементів. У разі 235 U розподіл відбувається при захопленні навіть теплових нейтронів .

У 1940 Г. Н. Флерів і К. А. Петржак (СРСР) виявили мимовільне (спонтанне) Я. а. д., при якому відбувається тунельний проникнення через бар'єр ділення (див. Тунельний ефект ). Спонтанне ділення - різновид радіоактивного розпаду ядер (див. Радіоактивність ) і характеризується періодом напіврозпаду (періодом поділу). Імовірність спонтанного поділу залежить від висоти бар'єру поділу. Для ізотопів U і сусідніх з ним елементів бар'єр ділення ~ 6 МеВ. Висота бар'єру, а отже, і період спонтанного ділення ядер залежать від ставлення Z2 / A ( рис. 3 ). При зміні Z2 / A від 34,3 для 232 Th до 41, 5 для 260 Ku період спонтанного ділення зменшується ~ в 10 30 разів.

Поділ важких ядер супроводжується виділенням енергії. У важких ядрах через великі сил електростатичного расталкивания нуклони пов'язані один з одним слеби, ніж в осколках - ядрах середини періодичної системи елементів . Тому маса важкого ядра більше суми мас утворюються осколків. Різниця в масах відповідає енергії, що виділяється при діленні (див. Відносності теорія ). Значна частина цієї енергії виділяється у вигляді кінетичної енергії осколків, рівний енергії електростатичного відштовхування двох дотичних осколків в момент розриву ядра на дві частини ( рис. 1 , б). Сумарна кінетична енергія осколків дещо збільшується в міру зростання Z ділиться ядра і становить для ядер U і трансуранових елементів величину ~ 200 МеВ. Осколки швидко гальмуються в середовищі, викликаючи її нагрівання, іонізацію і порушуючи її структуру. Після відповідної хімічної обробки під мікроскопом можуть бути помічені характерні сліди осколків розподілу ( рис. 4 ). Перетворення кінетичної енергії осколків розподілу в теплову енергію (нагрівання ними навколишнього середовища) є основою використання ядерної енергії (см. Ядерний реактор , Ядерний вибух ).

У момент розриву ядра оскільки сильно деформовані, але в міру їхнього видалення один від одного деформація зменшується, що призводить до збільшення їх внутрішньої енергії. Надалі енергія збудження осколків зменшується в результаті випускання ними нейтронів і g-квантів ( рис. 1 , г). Коли енергія збудження осколків стає менше енергії, необхідної для відділення нейтрона від ядра, емісія нейтронів припиняється і починається інтенсивне випускання g-квантів. В середньому спостерігається 8-10 g-квантів на 1 акт поділу.

Т. к. розрив шийки ядра може відбуватися по-різному, то маса, заряд і енергія збудження осколків флуктуируют від одного акту поділу до іншого. Число нейтронів v, іспущенних при діленні, також флуктуірует. При бомбардуванні U повільним і нейтронами число нейтронів на 1 акт ділення n ~ 2,5. Для більш важких елементів n збільшується. Значить, перевищення n над 1 - надзвичайно важливий факт. Саме ця обставина дозволяє здійснювати ядерну ланцюгову реакцію і накопичувати в ядерних реакторах енергію, що виділяється при Я. а. д. в макроскопічних масштабах. Наближено енергетичний спектр нейтронів можна вважати максвелловським з середньою енергією ~ 1, 3 МеВ (див. Максвелла розподіл ).

Ядра, що утворюються при діленні, перевантажені нейтронами і є радіоактивними (ізотопи Ba та ін.) Співвідношення між числами протонів Z і нейтронів N = А - Z в них залежить від енергії збудження ділиться ядра. При досить високому порушенні співвідношення N і Z в осколках залишається зазвичай тим же, що у початкового ділиться ядра. При малої енергії збудження ділиться ядра нейтрони і протони розподіляються між осколками таким чином, що в обох осколках відбувається приблизно однакове число b-розпадів, перш ніж вони перетворяться на стабільні ядра. В окремих випадках (приблизно 0,7% по відношенню до загального числа поділів) утворюється при b-розпаді порушену дочірнє ядро ??випускає нейтрон. Емісія цього нейтрона 113 порушеної ядра - процес швидкий (t <10 -16 сек ), проте він запізнюється по відношенню до моменту поділів ядра на час, який може досягати десятків сек; нейтрони, що випускаються при цьому, називаються запізнілими нейтронами.

Розподіл називається асиметричним, коли ставлення мас найбільш часто виникають осколків ~ 1,5 ( рис. 5 ). По мірі збільшення енергії збудження ядра все більшу роль починає грати симетричне поділ на два осколки з приблизно рівною масою. Для деяких спонтанно діляться ядер (U, Pu) характерно асиметричне поділ, але в міру збільшення А поділ наближається до симетричного. Найбільш виразно це проявляється у 256 Fm. Значно рідше спостерігається поділ на 3 осколка, зазвичай супроводжується випусканням a-частинки, ядер 6 He, 8 He, Li, Be та ін Граничний випадок - поділ на 3 рівних осколка - спостерігався при бомбардуванні ядер прискореними важкими іонами ( 40 Ar та ін.)

Теоретичне пояснення Я. а. д. вперше було дано Н. Бором і Дж. А. Уплером (США) і незалежно від них Я. І. Френкелем . Вони розвинули крапельну модель ядра, згідно з якою ядро розглядається як крапля електрично зарядженою нестисливої ??рідини. На нуклони в атомному ядрі діють врівноважують один одного ядерні сили тяжіння і електростатичні сили відштовхування (між протонами), які прагнуть розірвати ядро. Деформація ядра порушує рівновагу; при цьому, однак, виникають сили, які прагнуть повернути ядро ??до початковій формі аналогічно поверхневому натягу рідкої краплі. Деформація ядра при діленні супроводжується збільшенням його поверхні і, як у рідкій краплі, сили поверхневого натягу зростають, перешкоджаючи подальшої деформації. Після проходження через вершину бар'єру поділу енергетично вигідним стає утворення 2 крапель меншого розміру, і з цього моменту формування осколків розподілу йде швидко і необоротним чином. Зменшення бар'єру поділу для ядер з великими Z2 / A чітко проявляється у зменшенні періодів спонтанного поділу.

Капельная модель описує лише усереднені властивості ядер. Насправді ж характер процесу ділення може істотно залежати від внутрішньої структури ядра і стану окремих нуклонів. Зокрема, через це бар'єр ділення більше для ядер з непарним числом нуклонів, ніж для сусідніх парно-парних ядер (з парними Z і N). Особливо помітно це підвищення бар'єру позначається на періодах спонтанного поділу ядер: періоди спонтанного поділу парно-парних ядер в середньому більш ніж в 100 разів коротше періоду спонтанного поділу сусідніх ядер з непарним N. Збільшення бар'єру поділу через непарного нуклона видно на прикладі ділення ізотопів урану. Поділ ядер 238 U стає досить імовірним лише в тому випадку, коли кінетична енергія нейтронів перевищує деякий поріг, а у разі 235 U навіть при захопленні теплового нейтрона, енергія збудження складеного ядра 236 U вже перевищує бар'єр поділу ( рис. 6 ). Вплив структури ядра на Я. а. д. видно при порівнянні періодів спонтанного поділу парному-непарних ядер. Замість регулярного збільшення періоду спонтанного поділу з масою нуклида іноді спостерігається різке зменшення періоду спонтанного поділу. Особливо чітко цей ефект виявляється при числі нейтронів N = 152, що не може бути пояснено в рамках крапельної моделі і свідчить про вплив на Я. а. д. оболочечной структури ядра.

нуклонах оболонки впливають не тільки на подолання бар'єру поділу, вони помітно позначаються і на останній стадії формування осколків у момент, коли відбувається розрив ядра. Зміна форми ядра при розподілі відбувається повільно (порівняно з рухом нуклонів в ядрі ), в результаті чого нуклонні орбіти перебудовуються адиабатически. Вимірювання спектра мас осколків, їх сумарної кінетичної енергії, а також залежності n від співвідношення мас осколків вказують на формування нуклонних оболонок в осколках перед розривом.

Великий вплив на розвиток уявлень про протікання процесу ділення справила ідея О. Бора про існування так званих каналових ефектів. Виявилося, що при розподілі, викликаному швидкими частинками, осколки розлітаються анізотропно, але завжди симетрично щодо кута 90? по відношенню до пучка часток, що викликають поділ. Поблизу порога ділення спостерігаються досить химерні кутові розподілу осколків, які часто різко змінюються при порівняно невеликій зміні енергії захоплюваної ядром частинки. Ці явища були пояснені в 1955 Бором як прояв квантових каналів розподілу, пов'язаних з окремими станами внутрішнього руху нуклонів в сильно "охолодженому" ядрі в момент подолання енергетичного бар'єру (внутрішня енергія збудження зменшується тут на величину порога поділу). Дослідження каналів розподілу стали одним з важливих джерел інформації про структуру внутрішніх квантових станів ядра поблизу порогу поділу.

У 1962 в Об'єднаному інституті ядерних досліджень ( СРСР) був відкритий новий вид метастабільних (ізомерних) станів ядер з високою ймовірністю спонтанного поділу. Відомо близько 30 ядер (ізотопи U, Pu, Am, Cm, Bk), для яких імовірність спонтанного поділу в ізомерному змозі більше, ніж в основному, приблизно в 10 26 разів. Представляється ймовірним, що форма ядра в цьому ізомерному стані сильно відрізняється від форми ядра в основному стані (ізомерія форми ядра). У 1968 були виявлені так звані подбарьерние ділильні резонанси при захопленні нейтронів ядрами 240 Pu и 237 Np. Явища спонтанного ділення з ізомерного стану і наявність подбарьерних ділильних резонансів пояснюються моделлю, запропонованою В. М. Струтинським (СРСР), що враховує формування нуклонних оболонок у сильно деформованих ядер. Вона призводить до форми бар'єру поділу, показаної на рис. 7, з додатковим мінімумом потенційної енергії при деформації ядра. Існування цього мінімуму може пояснити природу спонтанно діляться ізомерів. Нижня стан у другій потенційної ямі на бар'єрі поділу має бути ІЗОМЕРНІ. Електромагнітні переходи з цього стану в основне (що лежить в перший ямі) повинні бути заборонені через потенційного бар'єру, що розділяє обидві потенційні ями. Водночас бар'єр ділення для ізомерних станів малий, і це пояснює високу ймовірність спонтанного поділу ізомерів.

При порушенні ядра до енергії трохи нижче висоти бар'єру, що розділяє дві потенційні ями, починається сильне змішування станів з різною рівноважної деформацією. Змішання станів з різною формою ядра призводить до появи груп ділильних резонансів, розділених відстанями, рівними відстаням між рівнями складеного ядра в седловой точці.

Сильний вплив оболонкових ефектів на бар'єр ділення дозволяє очікувати деяких особливостей у ще не синтезованих трансуранових елементів. Згідно крапельної моделі, атомні ядра з ? повинні бути нестійкі і розпадатися спонтанним діленням за час ~ 10 - 21 сек. Облік впливу нуклонних оболонок на бар'єр ділення приводить до висновку, що поява нових заповнених оболонок (мабуть, з Z = 114 і N = 184) супроводжуватиметься зростанням висоти бар'єру поділу до декількох МеВ. На цьому грунтується припущення про існування "острова стабільності" надважких трансуранових елементів поблизу Z = 114. Не виключено, що для деяких ізотопів цього "острова" час життя перевищить десятки тисяч років. Слід, однак, мати на увазі, що поки наявність островів стабільності залишається чисто гіпотетичною можливістю, що спирається на певні припущення про деталі структури ядер надважких трансуранових елементів.

Літ.: Hahn О., Strassman F., "Naturwissenschaften", 1939, Jg 27,? 1, S. 11; Петржак К. А., Флерів Г. Н., "Журнал експериментальної і теоретичної фізики", 1940, т. 10, в. 9-10, с. 1013; Френкель Я. І., там же, 1939, т. 9, в. 6, с. 641; Петржак К. А., Флерів Г. Н., "Успіхи фізичних наук", 1961, т. 73, в. 4, с. 655; Струтинський В. М., Поділ ядер, " Природа ", 1976,? 9; Ліхман Р. Б., Поділ ядра, в кн.: Фізика атомного ядра і плазми. пров. з англ., М., 1974.





Виберіть першу букву в назві статті:

а б в г д е ё ж з и й к л м н о п р с т у ф х ц ч ш щ ы э ю я

Повний політерний каталог статей


 

Алфавітний каталог статей

  а б в г д е ё ж з и й к л м н о п р с т у ф х ц ч ш щ ы э ю я
 


 
енциклопедія  біляші  морс  шашлик  качка