ურანის ატომების დაშლა. ურანის ბირთვების დაშლა. Ჯაჭვური რეაქცია
Ბირთვული დაშლა- ატომის ბირთვის გაყოფის პროცესი ორ (ნაკლებად ხშირად სამ) ბირთვად მსგავსი მასით, რომელსაც ეწოდება დაშლის ფრაგმენტები. დაშლის შედეგად შეიძლება წარმოიშვას სხვა რეაქციის პროდუქტებიც: მსუბუქი ბირთვები (ძირითადად ალფა ნაწილაკები), ნეიტრონები და გამა კვანტები. გაყოფა შეიძლება იყოს სპონტანური (სპონტანური) და იძულებითი (სხვა ნაწილაკებთან, პირველ რიგში ნეიტრონებთან ურთიერთქმედების შედეგად). მძიმე ბირთვების დაშლა ეგზოთერმული პროცესია, რის შედეგადაც დიდი რაოდენობით ენერგია გამოიყოფა რეაქციის პროდუქტების კინეტიკური ენერგიის, ასევე გამოსხივების სახით. ბირთვული დაშლა ემსახურება როგორც ენერგიის წყაროს ბირთვულ რეაქტორებში და ბირთვულ იარაღში. დაშლის პროცესი შეიძლება მოხდეს მხოლოდ მაშინ, როდესაც დაშლის ბირთვის საწყისი მდგომარეობის პოტენციური ენერგია აღემატება დაშლის ფრაგმენტების მასების ჯამს. ვინაიდან მძიმე ბირთვების სპეციფიური შებოჭვის ენერგია მცირდება მათი მასის მატებასთან ერთად, ეს პირობა დაკმაყოფილებულია მასის რაოდენობის მქონე თითქმის ყველა ბირთვისთვის.
თუმცა, როგორც გამოცდილება აჩვენებს, უმძიმესი ბირთვებიც კი სპონტანურად იშლება ძალიან დაბალი ალბათობით. ეს ნიშნავს, რომ არსებობს ენერგეტიკული ბარიერი ( დაშლის ბარიერი), გაყოფის თავიდან აცილება. ბირთვული დაშლის პროცესის აღსაწერად გამოიყენება რამდენიმე მოდელი, მათ შორის დაშლის ბარიერის გამოთვლა, მაგრამ არცერთ მათგანს არ შეუძლია სრულად ახსნას პროცესი.
ის ფაქტი, რომ ენერგია გამოიყოფა მძიმე ბირთვების დაშლის დროს, პირდაპირ გამომდინარეობს სპეციფიკური შემაკავშირებელი ენერგიის ε დამოკიდებულებიდან. = E სინათლე (A,Z)/A მასობრივი რიცხვიდან A. მძიმე ბირთვის დაშლისას წარმოიქმნება მსუბუქი ბირთვები, რომლებშიც ნუკლეონები უფრო ძლიერად არიან შეკრული და ენერგიის ნაწილი გამოიყოფა დაშლის დროს. როგორც წესი, ბირთვულ დაშლას თან ახლავს 1–4 ნეიტრონის ემისია. გამოვხატოთ დაშლის ენერგია Q საწყისი და საბოლოო ბირთვების შებოჭვის ენერგიების მიხედვით. ჩვენ ვწერთ საწყისი ბირთვის ენერგიას, რომელიც შედგება Z პროტონებისა და N ნეიტრონებისაგან და აქვს მასა M(A,Z) და შემაკავშირებელ ენერგია E st (A,Z), შემდეგი სახით:
M(A,Z)c 2 = (Zm p + Nm n)c 2 - E St (A,Z).
ბირთვის (A,Z) დაყოფას 2 ფრაგმენტად (A 1,Z 1) და (A 2,Z 2) თან ახლავს N n-ის წარმოქმნა. = A – A 1 – A 2 სწრაფი ნეიტრონები. თუ ბირთვი (A,Z) იყოფა ფრაგმენტებად M 1 (A 1 ,Z 1), M 2 (A 2 ,Z 2) მასებით და შემაკავშირებელ ენერგიებით E св1 (A 1,Z 1), E св2 (A 2). , Z 2), მაშინ დაშლის ენერგიისთვის გვაქვს გამოთქმა:
Q div = (M(A,Z) – )c 2 = E St 1 (A 1 ,Z 1) + E St (A 2 ,Z 2) – E St (A,Z),
A = A 1 + A 2 + N n, Z = Z 1 + Z 2.
23. დაშლის ელემენტარული თეორია.
1939 წელს ნ.ბორდა ჯ.უილერი, და ია ფრენკელიდიდი ხნით ადრე, სანამ დაშლა სრულყოფილად შეისწავლებოდა ექსპერიმენტულად, შემოთავაზებული იყო ამ პროცესის თეორია, რომელიც ეფუძნებოდა ბირთვის, როგორც დამუხტული სითხის წვეთის იდეას.
დაშლის დროს გამოთავისუფლებული ენერგიის მიღება შესაძლებელია პირდაპირ Weizsäcker-ის ფორმულები.
მოდით გამოვთვალოთ მძიმე ბირთვის დაშლის დროს გამოთავისუფლებული ენერგიის რაოდენობა. მოდით ჩავანაცვლოთ (f.2) ბირთვების შებოჭვის ენერგიების გამოსახულებები (f.1), თუ ვივარაუდებთ A 1 = 240 და Z 1 = 90. უგულებელყოფთ (f.1) ბოლო წევრს მისი სიმცირის გამო და შემცვლელი პარამეტრების a 2 და a 3 მნიშვნელობებს ვიღებთ
აქედან ჩვენ ვიღებთ, რომ დაშლა ენერგიულად ხელსაყრელია, როდესაც Z 2 /A > 17. Z 2 /A-ს მნიშვნელობას უწოდებენ გაყოფის პარამეტრს. დაშლის დროს გამოთავისუფლებული ენერგია E იზრდება Z 2 /A მატებასთან ერთად; Z 2 /A = 17 ბირთვებისთვის იტრიუმის და ცირკონიუმის რეგიონში. მიღებული შეფასებებიდან ირკვევა, რომ დაშლა ენერგიულად ხელსაყრელია A > 90-ის მქონე ყველა ბირთვისთვის. რატომ არის ბირთვების უმეტესობა სტაბილური სპონტანური გაყოფის მიმართ? ამ კითხვაზე პასუხის გასაცემად ვნახოთ, როგორ იცვლება ბირთვის ფორმა დაშლის დროს.
დაშლის პროცესის დროს ბირთვი თანმიმდევრულად გადის შემდეგ ეტაპებს (ნახ. 2): ბურთი, ელიფსოიდი, ჰანტელი, ორი მსხლის ფორმის ფრაგმენტი, ორი სფერული ფრაგმენტი. როგორ იცვლება ბირთვის პოტენციური ენერგია სხვადასხვა ეტაპებიგანყოფილებები? მას შემდეგ, რაც მოხდა დაყოფა და ფრაგმენტები ერთმანეთისგან ბევრად უფრო დიდი მანძილზეა განლაგებული, ვიდრე მათი რადიუსი, ფრაგმენტების პოტენციური ენერგია, რომელიც განისაზღვრება მათ შორის კულონის ურთიერთქმედებით, შეიძლება ჩაითვალოს ნულის ტოლი.განვიხილოთ დაშლის საწყისი ეტაპი, როდესაც ბირთვი, r-ის მატებასთან ერთად, იღებს რევოლუციის სულ უფრო წაგრძელებული ელიფსოიდის ფორმას. გაყოფის ამ ეტაპზე r არის ბირთვის სფერული ფორმისგან გადახრის საზომი (ნახ. 3). ბირთვის ფორმის ევოლუციის გამო, მისი პოტენციური ენერგიის ცვლილება განისაზღვრება ზედაპირისა და კულონის ენერგიების ჯამის ცვლილებით E" n + E" k. ვარაუდობენ, რომ ბირთვის მოცულობა უცვლელი რჩება. დეფორმაციის პროცესის დროს. ამ შემთხვევაში, ზედაპირის ენერგია E"n იზრდება, როგორც ბირთვის ზედაპირის ფართობი იზრდება. კულონის ენერგია E"k მცირდება, რადგან იზრდება საშუალო მანძილი ნუკლეონებს შორის. დაე, სფერულმა ბირთვმა, მცირე პარამეტრით დამახასიათებელი უმნიშვნელო დეფორმაციის შედეგად, მიიღოს ღერძულად სიმეტრიული ელიფსოიდის ფორმა. შეიძლება აჩვენოს, რომ ზედაპირის ენერგია E" n და კულონის ენერგია E" k შემდეგნაირად იცვლება:
მცირე ელიფსოიდური დეფორმაციების შემთხვევაში, ზედაპირის ენერგიის ზრდა უფრო სწრაფად ხდება, ვიდრე კულონის ენერგიის შემცირება. მძიმე ბირთვების რეგიონში 2E n > E k ზედაპირისა და კულონის ენერგიების ჯამი იზრდება მატებასთან ერთად. (f.4) და (f.5)-დან გამომდინარეობს, რომ მცირე ელიფსოიდური დეფორმაციების დროს, ზედაპირის ენერგიის ზრდა ხელს უშლის ბირთვის ფორმის შემდგომ ცვლილებებს და, შესაბამისად, დაშლას. გამოხატვა (f.5) მოქმედებს მცირე მნიშვნელობებისთვის (მცირე დეფორმაციები). თუ დეფორმაცია იმდენად დიდია, რომ ბირთვი ჰანტელის ფორმას იღებს, მაშინ ზედაპირული დაძაბულობის ძალები, კულონის ძალების მსგავსად, ბირთვის გამოყოფას და ფრაგმენტებს სფერულ ფორმას აძლევს. დაშლის ამ ეტაპზე, დაძაბულობის ზრდას თან ახლავს როგორც კულონის, ასევე ზედაპირული ენერგიის შემცირება. იმათ. ბირთვის დეფორმაციის თანდათანობითი მატებით, მისი პოტენციური ენერგია გადის მაქსიმუმს. ახლა r-ს აქვს მომავალი ფრაგმენტების ცენტრებს შორის მანძილის მნიშვნელობა. როდესაც ფრაგმენტები ერთმანეთს შორდებიან, მათი ურთიერთქმედების პოტენციური ენერგია მცირდება, რადგან კულონის მოგერიების ენერგია E k მცირდება. პოტენციური ენერგიის დამოკიდებულება ფრაგმენტებს შორის მანძილზე ნაჩვენებია ნახ. 4. პოტენციური ენერგიის ნულოვანი დონე შეესაბამება ზედაპირული და კულონის ენერგიის ჯამს ორი არაურთიერთმონაწილე ფრაგმენტის. პოტენციური ბარიერის არსებობა ხელს უშლის ბირთვების მყისიერ სპონტანურ დაშლას. იმისათვის, რომ ბირთვი მყისიერად გაიყოს, მას სჭირდება Q ენერგია, რომელიც აღემატება H ბარიერის სიმაღლეს. დაშლის ბირთვის მაქსიმალური პოტენციური ენერგია დაახლოებით უდრის e 2 Z 2 /(R 1 + R 2). სადაც R 1 და R 2 არის ფრაგმენტების რადიუსი. მაგალითად, როდესაც ოქროს ბირთვი იყოფა ორ იდენტურ ფრაგმენტად, e 2 Z 2 /(R 1 + R 2) = 173 MeV და დაყოფის დროს გამოთავისუფლებული ენერგიის რაოდენობა (E). იხილეთ ფორმულა (f.2)), უდრის 132 მევ. ამრიგად, ოქროს ბირთვის დაშლის დროს აუცილებელია პოტენციური ბარიერის გადალახვა, რომლის სიმაღლეა დაახლოებით 40 მევ. რაც უფრო მაღალია ბარიერის სიმაღლე H, მით უფრო დაბალია კულონისა და ზედაპირის ენერგიის E/E p შეფარდება საწყის ბირთვში. ეს თანაფარდობა, თავის მხრივ, იზრდება გაყოფის პარამეტრი Z 2 /A ( იხილეთ (f.4)). რაც უფრო მძიმეა ბირთვი, მით უფრო დაბალია H ბარიერის სიმაღლე , ვინაიდან დაშლის პარამეტრი იზრდება მასის რაოდენობის გაზრდით:
|
|
იმათ. წვეთოვანი მოდელის მიხედვით, ბუნებაში არ უნდა არსებობდეს ბირთვები Z 2 /A > 49, რადგან ისინი სპონტანურად იშლება თითქმის მყისიერად (10-22 წამის რიგის დამახასიათებელი ბირთვული დროის ფარგლებში). ატომური ბირთვების არსებობა Z 2 /A > 49-ით („სტაბილურობის კუნძული“) აიხსნება გარსის სტრუქტურით. პოტენციური ბარიერის H ფორმის, სიმაღლისა და დაშლის ენერგიის E დამოკიდებულება დაშლის პარამეტრის Z 2/A მნიშვნელობაზე ნაჩვენებია ნახ. 5.
ბირთვების სპონტანური გაყოფა Z 2 /A-სთან< 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 წელი 232 Th-დან 0.3 წმ-მდე 260 Ku. ბირთვების იძულებითი გაყოფა Z 2 /A-ით < 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.
დაშლის დროს გამოთავისუფლებული ენერგია E იზრდება Z 2/A მატებასთან ერთად. მნიშვნელობა Z 2 /A = 17 89 Y-სთვის (იტრიუმი). იმათ. დაშლა ენერგიულად ხელსაყრელია იტრიუმზე მძიმე ყველა ბირთვისთვის. რატომ არის ბირთვების უმეტესობა მდგრადი სპონტანური გახლეჩვის მიმართ? ამ კითხვაზე პასუხის გასაცემად აუცილებელია გაყოფის მექანიზმის გათვალისწინება.
დაშლის პროცესში იცვლება ბირთვის ფორმა. ბირთვი თანმიმდევრულად გადის შემდეგ ეტაპებს (ნახ. 7.1): ბურთი, ელიფსოიდი, ჰანტელი, ორი მსხლის ფორმის ფრაგმენტი, ორი სფერული ფრაგმენტი. როგორ იცვლება ბირთვის პოტენციური ენერგია დაშლის სხვადასხვა სტადიაზე?
საწყისი ბირთვი გადიდებით რიღებს რევოლუციის სულ უფრო წაგრძელებული ელიფსოიდის ფორმას. ამ შემთხვევაში, ბირთვის ფორმის ევოლუციის გამო, მისი პოტენციური ენერგიის ცვლილება განისაზღვრება ზედაპირისა და კულონის ენერგიების ჯამის ცვლილებით E p + E k. ამ შემთხვევაში, ზედაპირის ენერგია იზრდება როგორც იზრდება ბირთვის ზედაპირის ფართობი. კულონის ენერგია მცირდება პროტონებს შორის საშუალო მანძილის მატებასთან ერთად. თუ მცირე დეფორმაციის დროს, რომელიც ხასიათდება მცირე პარამეტრით, თავდაპირველმა ბირთვმა მიიღო ღერძულად სიმეტრიული ელიფსოიდის ფორმა, ზედაპირის ენერგია E" p და კულონის ენერგია E" k დეფორმაციის პარამეტრის ფუნქციების მიხედვით იცვლება შემდეგნაირად:
თანაფარდობით (7.4–7.5) ე n და ე k არის საწყისი სფერული სიმეტრიული ბირთვის ზედაპირი და კულონის ენერგია.
მძიმე ბირთვების რეგიონში 2E p > E k და ზედაპირისა და კულონის ენერგიების ჯამი იზრდება მატებასთან ერთად. (7.4) და (7.5)დან გამომდინარეობს, რომ მცირე დეფორმაციების დროს, ზედაპირის ენერგიის ზრდა ხელს უშლის ბირთვის ფორმის შემდგომ ცვლილებებს და, შესაბამისად, დაშლას.
კავშირი (7.5) მოქმედებს მცირე დეფორმაციისთვის. თუ დეფორმაცია იმდენად დიდია, რომ ბირთვი ჰანტელის ფორმას იღებს, მაშინ ზედაპირი და კულონის ძალები ბირთვის გამოყოფას და ფრაგმენტებს სფერულ ფორმას აძლევს. ამრიგად, ბირთვის დეფორმაციის თანდათანობითი მატებით, მისი პოტენციური ენერგია გადის მაქსიმუმს. ბირთვის ზედაპირისა და კულონის ენერგიების ცვლილებების გრაფიკი, რომელიც დამოკიდებულია r-ზე, ნაჩვენებია ნახ. 7.2.
პოტენციური ბარიერის არსებობა ხელს უშლის ბირთვების მყისიერ სპონტანურ დაშლას. იმისათვის, რომ ბირთვი გაიყოს, მას სჭირდება Q ენერგია, რომელიც აღემატება დაშლის ბარიერის H სიმაღლეს. დაშლის ბირთვის E + H (მაგალითად ოქრო) მაქსიმალური პოტენციური ენერგია ორ იდენტურ ფრაგმენტად არის ≈ 173 მევ. ხოლო დაშლის დროს გამოთავისუფლებული ენერგიის რაოდენობა E არის 132 მევ. ამრიგად, როდესაც ოქროს ბირთვი იშლება, აუცილებელია პოტენციური ბარიერის გადალახვა, რომლის სიმაღლეა დაახლოებით 40 მევ.
H დაშლის ბარიერის სიმაღლე უფრო დიდია, რაც უფრო დაბალია კულონის და ზედაპირის ენერგიის შეფარდება E/E p საწყის ბირთვში. ეს თანაფარდობა, თავის მხრივ, იზრდება გაყოფის პარამეტრის Z 2 /A (7.3) გაზრდით. რაც უფრო მძიმეა ბირთვი, მით უფრო დაბალია დაშლის H ბარიერის სიმაღლე, რადგან დაშლის პარამეტრი, თუ ვივარაუდებთ, რომ Z პროპორციულია A-სთან, იზრდება მასის რიცხვის გაზრდით:
| E k /E p = (a 3 Z 2)/(a 2 A) ~ A. | (7.6) |
ამიტომ, უფრო მძიმე ბირთვებს ჩვეულებრივ სჭირდებათ ნაკლები ენერგიის გადაცემა, რათა გამოიწვიონ ბირთვული დაშლა.
დაშლის ბარიერის სიმაღლე ქრება 2E p – E k = 0 (7.5). Ამ შემთხვევაში
2E p /E k = 2(a 2 A)/(a 3 Z 2),
Z 2 /A = 2a 2 /(a 3 Z 2) ≈ 49.
ამრიგად, წვეთოვანი მოდელის მიხედვით, ბირთვები Z 2 /A > 49-ით ვერ იარსებებს ბუნებაში, რადგან ისინი თითქმის მყისიერად, 10-22 წამის რიგის დამახასიათებელ ბირთვულ დროში, სპონტანურად უნდა გაიყოს ორ ფრაგმენტად. პოტენციური H ბარიერის ფორმისა და სიმაღლის დამოკიდებულებები, აგრეთვე დაშლის ენერგია Z 2/A პარამეტრის მნიშვნელობაზე ნაჩვენებია ნახ. 7.3.
ბრინჯი. 7.3. პოტენციური ბარიერის ფორმისა და სიმაღლის რადიალური დამოკიდებულება და დაშლის ენერგია E Z 2/A პარამეტრის სხვადასხვა მნიშვნელობებზე. ჩართულია ვერტიკალური ღერძიგამოსახულია მნიშვნელობა E p + E k.
ბირთვების სპონტანური გაყოფა Z 2 /A-სთან< 49,
для которых высота барьера H
не равна нулю, с точки зрения классической физики невозможно. Однако в квантовой
механике такое деление возможно за счет туннельного эффекта – прохождения
осколков деления через потенциальный барьер. Оно носит название спонтанного
деления. Вероятность спонтанного деления растет с увеличением параметра деления
Z 2 /A,
т. е. с уменьшением высоты барьера деления. В целом период спонтанного деления
уменьшается при переходе от менее тяжелых ядер к более тяжелым от
T 1/2 >10 21 წელი 232 Th-დან 0.3 წმ-მდე 260 Rf.
ბირთვების იძულებითი გაყოფა Z 2 /A-ით< 49
может быть вызвано их возбуждением фотонами, нейтронами, протонами, дейтронами,
a частицами и другими частицами, если вносимая в
ядро энергия достаточна для преодоления барьера деления.
ნეიტრონის დაჭერისას წარმოქმნილი ნაერთი ბირთვის E* აგზნების ენერგიის მინიმალური მნიშვნელობა უდრის ამ ε n ბირთვში ნეიტრონის შეკავშირების ენერგიას. ცხრილი 7.1 ადარებს ბარიერის სიმაღლეს H და ნეიტრონის შეკავშირების ენერგიას ε n Th, U და Pu იზოტოპებისთვის, რომლებიც წარმოიქმნება ნეიტრონების დაჭერის შემდეგ. ნეიტრონის შეკავშირების ენერგია დამოკიდებულია ბირთვში ნეიტრონების რაოდენობაზე. დაწყვილების ენერგიის გამო, ლუწი ნეიტრონის შეკავშირების ენერგია უფრო მეტია, ვიდრე უცნაური ნეიტრონის შეკავშირების ენერგია.
ცხრილი 7.1
გაყოფის ბარიერის სიმაღლე H, ნეიტრონების შებოჭვის ენერგია ε n
| იზოტოპი | გაყოფის ბარიერის სიმაღლე H, MeV | იზოტოპი | ნეიტრონების შებოჭვის ენერგია ε n |
|---|---|---|---|
| 232 თ | 5.9 | 233 თ | 4.79 |
| 233 U | 5.5 | 234U | 6.84 |
| 235 U | 5.75 | 236 U | 6.55 |
| 238 U | 5.85 | 239 U | 4.80 |
| 239 Pu | 5.5 | 240 Pu | 6.53 |
გაყოფის დამახასიათებელი თვისებაა ის, რომ ფრაგმენტებს, როგორც წესი, განსხვავებული მასა აქვთ. 235 U-ის ყველაზე სავარაუდო გაყოფის შემთხვევაში, ფრაგმენტების მასის თანაფარდობა საშუალოდ ~ 1,5-ია. თერმული ნეიტრონების მიერ 235 U-ის დაშლის ფრაგმენტების მასის განაწილება ნაჩვენებია ნახ. 7.4. ყველაზე სავარაუდო გახლეჩვისთვის მძიმე ფრაგმენტს აქვს მასობრივი რიცხვი 139, მსუბუქის - 95. დაშლის პროდუქტებს შორის არის ფრაგმენტები A = 72 - 161 და Z = 30 - 65. გაყოფის ალბათობა ორ ფრაგმენტად. თანაბარი მასა არ არის ნული. როდესაც 235 U დაიშლება თერმული ნეიტრონებით, სიმეტრიული დაშლის ალბათობა დაახლოებით სამი რიგით ნაკლებია, ვიდრე A = 139 და 95 ფრაგმენტებად ყველაზე სავარაუდო გახლეჩვის შემთხვევაში.
ასიმეტრიული გაყოფა აიხსნება ბირთვის გარსის სტრუქტურით. ბირთვი მიდრეკილია გაიყოს ისე, რომ თითოეული ფრაგმენტის ნუკლეონების ძირითადი ნაწილი ქმნის ყველაზე სტაბილურ მაგიურ ჩონჩხს.
ნეიტრონების რაოდენობის შეფარდება პროტონების რაოდენობასთან 235 U ბირთვში N/Z = 1,55, ხოლო სტაბილური იზოტოპებისთვის, რომელთა მასობრივი რიცხვი ახლოსაა ფრაგმენტების მასის რაოდენობასთან, ეს თანაფარდობაა 1,25 − 1,45. შესაბამისად, დაშლის ფრაგმენტები ძლიერ გადატვირთულია ნეიტრონებით და უნდა იყოს
β - რადიოაქტიური. ამრიგად, დაშლის ფრაგმენტები განიცდიან თანმიმდევრულ β - დაშლას და პირველადი ფრაგმენტის მუხტი შეიძლება შეიცვალოს 4-6 ერთეულით. ქვემოთ მოცემულია რადიოაქტიური დაშლის ტიპიური ჯაჭვი 97 Kr, ერთ-ერთი ფრაგმენტი, რომელიც წარმოიქმნა 235 U-ის დაშლის დროს:
ფრაგმენტების აგზნება, რომელიც გამოწვეულია სტაბილური ბირთვებისთვის დამახასიათებელი პროტონებისა და ნეიტრონების რაოდენობის თანაფარდობის დარღვევით, ასევე ამოღებულია სწრაფი დაშლის ნეიტრონების გამოსხივების გამო. ეს ნეიტრონები გამოიყოფა ფრაგმენტების გადაადგილებით ~ 10-14 წმ-ზე ნაკლებ დროში. საშუალოდ, 2-3 სწრაფი ნეიტრონი გამოიყოფა ყოველი დაშლის დროს. მათი ენერგეტიკული სპექტრი უწყვეტია მაქსიმუმ 1 მევ. სწრაფი ნეიტრონის საშუალო ენერგია უახლოვდება 2 მევ-ს. ერთზე მეტი ნეიტრონის ემისია თითოეულ დაშლის მოვლენაში შესაძლებელს ხდის ენერგიის მიღებას ბირთვული დაშლის ჯაჭვური რეაქციის მეშვეობით.
თერმული ნეიტრონების მიერ 235 U-ის ყველაზე სავარაუდო დაშლით, მსუბუქი ფრაგმენტი (A = 95) იძენს კინეტიკურ ენერგიას ≈ 100 მევ-ს, ხოლო მძიმე ფრაგმენტი (A = 139) იძენს დაახლოებით 67 მევ კინეტიკურ ენერგიას. ამრიგად, ფრაგმენტების მთლიანი კინეტიკური ენერგია არის ≈ 167 მევ. დაშლის ჯამური ენერგია ამ შემთხვევაში არის 200 მევ. ამრიგად, დარჩენილი ენერგია (33 მევ) ნაწილდება დაშლის სხვა პროდუქტებს შორის (ნეიტრონები, ელექტრონები და ანტინეიტრინოები β-დაშლის ფრაგმენტებიდან, γ-გამოსხივება ფრაგმენტებიდან და მათი დაშლის პროდუქტებიდან). თერმული ნეიტრონების მიერ 235 U-ის დაშლის დროს სხვადასხვა პროდუქტებს შორის დაშლის ენერგიის განაწილება მოცემულია ცხრილში 7.2.
ცხრილი 7.2
დაშლის ენერგიის განაწილება 235 U თერმული ნეიტრონები
ბირთვული დაშლის პროდუქტები (NFP) არის 36 ელემენტისგან შემდგარი 200-ზე მეტი რადიოაქტიური იზოტოპის კომპლექსური ნარევი (თუთიიდან გადოლინიუმამდე). აქტივობის უმეტესი ნაწილი მოდის ხანმოკლე რადიონუკლიდებზე. ამრიგად, აფეთქებიდან 7, 49 და 343 დღის შემდეგ PYD აქტივობა მცირდება შესაბამისად 10, 100 და 1000-ჯერ, აფეთქებიდან ერთი საათის შემდეგ აქტივობასთან შედარებით. ბიოლოგიურად ყველაზე მნიშვნელოვანი რადიონუკლიდების გამოსავლიანობა მოცემულია ცხრილში 7.3. PYN-ის გარდა, რადიოაქტიური დაბინძურება გამოწვეულია ინდუცირებული აქტივობის რადიონუკლიდებით (3 H, 14 C, 28 Al, 24 Na, 56 Mn, 59 Fe, 60 Co და ა.შ.) და ურანისა და პლუტონიუმის განუყოფელი ნაწილი. განსაკუთრებით დიდია ინდუცირებული აქტივობის როლი თერმობირთვული აფეთქებების დროს.
ცხრილი 7.3
ბირთვული აფეთქების შედეგად დაშლის ზოგიერთი პროდუქტის გამოშვება
| რადიონუკლიდი | Ნახევარი ცხოვრება | გამომავალი განყოფილებაზე, % | აქტივობა 1 მტ-ზე, 10 15 ბქ |
|---|---|---|---|
| 89 უფროსი | 50,5 დღე. | 2.56 | 590 |
| 90 სრ | 29.12 წელი | 3.5 | 3.9 |
| 95 ზრ | 65 დღე | 5.07 | 920 |
| 103 რუ | 41 დღე | 5.2 | 1500 |
| 106 რუ | 365 დღე | 2.44 | 78 |
| 131 მე | 8.05 დღე | 2.9 | 4200 |
| 136 წ | 13.2 დღე | 0.036 | 32 |
| 137 წ | 30 წელი | 5.57 | 5.9 |
| 140 ბა | 12.8 დღე | 5.18 | 4700 |
| 141 წ | 32.5 დღე. | 4.58 | 1600 |
| 144 წ | 288 დღე | 4.69 | 190 |
| 3 ჰ | 12,3 წელი | 0.01 | 2.6·10 -2 |
ატმოსფეროში ბირთვული აფეთქებების დროს ნალექების მნიშვნელოვანი ნაწილი (50%-მდე მიწის აფეთქებისთვის) ცდის ზონასთან მოდის. ზოგიერთი რადიოაქტიური ნივთიერება შენარჩუნებულია ატმოსფეროს ქვედა ნაწილში და ქარის გავლენის ქვეშ მოძრაობს შორ მანძილზე და რჩება დაახლოებით იმავე განედზე. ჰაერში დაახლოებით ერთი თვის განმავლობაში ყოფნისას რადიოაქტიური ნივთიერებები თანდათან ეცემა დედამიწაზე ამ მოძრაობის დროს. რადიონუკლიდების უმეტესობა ემიტირებულია სტრატოსფეროში (10-15 კმ სიმაღლეზე), სადაც ისინი გლობალურად იშლება და დიდწილად იშლება.
ბირთვული რეაქტორების სხვადასხვა სტრუქტურული ელემენტები ძალიან აქტიური იყო ათწლეულების განმავლობაში (ცხრილი 7.4).
ცხრილი 7.4
რეაქტორიდან სამი წლის მუშაობის შემდეგ ამოღებულ საწვავის ელემენტებში ძირითადი დაშლის პროდუქტების სპეციფიკური აქტივობის მნიშვნელობები (Bq/t ურანი).
| რადიონუკლიდი | 0 | 1 დღე | 120 დღე | 1 წელი | 10 წელი | |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 85 კრ | 5. 78· 10 14 | 5. 78· 10 14 | 5. 66· 10 14 | 5. 42· 10 14 |
4. 7· 10 14 |
3. 03· 10 14 |
| 89 უფროსი | 4. 04· 10 16 | 3. 98· 10 16 | 5. 78· 10 15 | 2. 7· 10 14 |
1. 2· 10 10 |
|
| 90 სრ | 3. 51· 10 15 | 3. 51· 10 15 | 3. 48· 10 15 | 3. 43· 10 15 |
3. 26· 10 15 |
2. 75· 10 15 |
| 95 ზრ | 7. 29· 10 16 | 7. 21· 10 16 | 1. 99· 10 16 | 1. 4· 10 15 | 5. 14· 10 11 | |
| 95 Nb | 7. 23· 10 16 | 7. 23· 10 16 | 3. 57· 10 16 | 3. 03· 10 15 | 1. 14· 10 12 | |
| 103 რუ | 7. 08· 10 16 | 6. 95· 10 16 | 8. 55· 10 15 | 1. 14· 10 14 | 2. 97· 10 8 | |
| 106 რუ | 2. 37· 10 16 | 2. 37· 10 16 | 1. 89· 10 16 | 1. 19· 10 16 | 3. 02· 10 15 | 2. 46· 10 13 |
| 131 მე | 4. 49· 10 16 | 4. 19· 10 16 | 1. 5· 10 12 | 1. 01· 10 3 | ||
| 134 წ | 7. 50· 10 15 | 7. 50· 10 15 | 6. 71· 10 15 | 5. 36· 10 15 | 2. 73· 10 15 | 2. 6· 10 14 |
| 137 წ | 4. 69· 10 15 | 4. 69· 10 15 | 4. 65· 10 15 | 4. 58· 10 15 | 4. 38· 10 15 | 3. 73· 10 15 |
| 140 ბა | 7. 93· 10 16 | 7. 51· 10 16 | 1. 19· 10 14 | 2. 03· 10 8 | ||
| 140 ლა | 8. 19· 10 16 | 8. 05· 10 16 | 1. 37· 10 14 | 2. 34· 10 8 | ||
| 141 წ | 7. 36· 10 16 | 7. 25· 10 16 | 5. 73· 10 15 | 3. 08· 10 13 | 5. 33· 10 6 | |
| 144 წ | 5. 44· 10 16 | 5. 44· 10 16 | 4. 06· 10 16 | 2. 24· 10 16 | 3. 77· 10 15 | 7. 43· 10 12 |
| 143 PM | 6. 77· 10 16 | 6. 70· 10 16 | 1. 65· 10 14 | 6. 11· 10 8 | ||
| 147 PM | 7. 05·10 15 | 7. 05· 10 15 | 6. 78· 10 15 | 5. 68· 10 15 |
3. 35· 10 14 |
ბირთვული დაშლის რეაქციები.
ბირთვების ტრანსფორმაციას ელემენტარულ ნაწილაკებთან ან ერთმანეთთან ურთიერთობისას ბირთვული რეაქციები ეწოდება.ბირთვული რეაქციები არის ბირთვების სტრუქტურისა და მათი თვისებების შესწავლის მთავარი მეთოდი. ბირთვული რეაქციები ემორჩილება კონსერვაციის კანონებს: ელექტრული მუხტი, ბარიონის მუხტი, ლეპტონის მუხტი, ენერგია, იმპულსიმაგალითად, ბარიონის მუხტის შენარჩუნების კანონი ემყარება იმ ფაქტს, რომ ბირთვული რეაქციის შედეგად ნუკლეონების საერთო რაოდენობა არ იცვლება.
ბირთვული რეაქციები შეიძლება მოხდეს ენერგიის გათავისუფლებით ან შთანთქმით ქ, რომელიც 10 6-ჯერ აღემატება ქიმიური რეაქციების ენერგიას. თუ ქ> 0 ენერგია გამოიყოფა (ეგზოთერმული რეაქცია). Მაგალითად,
ზე ქ < 0 – поглощение энергии (ენდოთერმული რეაქცია). Მაგალითად,
ახასიათებს ბირთვული რეაქციები ეფექტური რეაქციის ჯვარი განყოფილება(თუ ბირთვის რადიუსი დიდია ნაწილაკების დე ბროლის ტალღის სიგრძეზე).
ბირთვული რეაქციის გამომუშავება W– ბირთვული რეაქციის მოვლენების რაოდენობის თანაფარდობა D ნნაწილაკების რაოდენობამდე ნ, დაცემა 1 სმ 2 სამიზნეზე, ე.ი.
,
სად ნ- ბირთვების კონცენტრაცია.
ბევრი ბირთვული რეაქცია დაბალ ენერგიებზე გადის ფორმირების სტადიას რთული ბირთვი. ასე რომ, იმისთვის, რომ ნეიტრონი იფრინოს ბირთვში 10 7 მ/წმ სიჩქარით, საჭიროა t = 10 –22 წმ რიგის დრო. რეაქციის დროა 10 - 16 -10 - 12 წმ ან (10 6 -10 10) ტ. ეს ნიშნავს, რომ ბირთვში არსებულ ნუკლეონებს შორის იქნება დიდი რიცხვიშეჯახებები და იქმნება შუალედური მდგომარეობა - რთული ბირთვი. დამახასიათებელი დრო t გამოიყენება ბირთვში მიმდინარე პროცესების ანალიზისას.
როგორც ნეიტრონის სიჩქარე მცირდება, იზრდება მისი ბირთვთან ურთიერთქმედების დრო და ბირთვის მიერ მისი დაჭერის ალბათობა, რადგან ეფექტური განივი განყოფილება უკუპროპორციულია ნაწილაკების სიჩქარეზე (). თუ ნეიტრონისა და საწყისი ბირთვის მთლიანი ენერგია დევს იმ რეგიონში, სადაც განლაგებულია ნაერთი ბირთვის ენერგეტიკული ზოლები, მაშინ განსაკუთრებით მაღალია ნაერთის ბირთვის კვაზი-სტაციონარული ენერგიის დონის ფორმირების ალბათობა. ბირთვული რეაქციების განივი განყოფილება ნაწილაკების ასეთ ენერგიებში მკვეთრად იზრდება, რაც ქმნის რეზონანსულ მაქსიმუმებს. ასეთ შემთხვევებში ბირთვულ რეაქციებს უწოდებენ რეზონანსული. რეზონანსული ჯვარი თერმული (ნელი) ნეიტრონის დაჭერისთვის ( კტ» 0,025 eV) შეიძლება იყოს ~10 6-ჯერ მეტი ბირთვის გეომეტრიულ ჯვარედინი კვეთაზე
ნაწილაკების დაჭერის შემდეგ, ნაერთი ბირთვი აღგზნებულ მდგომარეობაშია ~ 10 - 14 წმ, შემდეგ ასხივებს ნაწილაკს. შესაძლებელია ნაერთი ბირთვის რადიოაქტიური დაშლის რამდენიმე არხი. ასევე შესაძლებელია კონკურენტული პროცესი - რადიაციული დაჭერა, როდესაც ნაწილაკის ბირთვის მიერ დაჭერის შემდეგ, იგი გადადის აღგზნებულ მდგომარეობაში, შემდეგ, როდესაც ასხივებს გ-კვანტს, გადადის მიწისქვეშა მდგომარეობაში. ამან ასევე შეიძლება შექმნას რთული ბირთვი.
კულონის მოგერიების ძალები ბირთვის დადებითად დამუხტულ ნაწილაკებს (პროტონებს) შორის არ უწყობს ხელს, არამედ აფერხებს ამ ნაწილაკების ბირთვიდან გამოსვლას. ეს გამოწვეულია გავლენით ცენტრიდანული ბარიერი. ეს აიხსნება იმით, რომ ამაღელვებელი ძალები შეესაბამება დადებით ენერგიას. ის ზრდის კულონის პოტენციური ბარიერის სიმაღლეს და სიგანეს. დადებითად დამუხტული ნაწილაკის გასასვლელი ბირთვიდან არის ქვებარიერი პროცესი. რაც უფრო მაღალი და ფართოა პოტენციური ბარიერი, მით ნაკლებია მისი ალბათობა. ეს განსაკუთრებით მნიშვნელოვანია საშუალო და მძიმე ბირთვებისთვის.
მაგალითად, ურანის იზოტოპის ბირთვი, რომელმაც დაიპყრო ნეიტრონი, ქმნის ნაერთ ბირთვს, რომელიც შემდეგ ორ ნაწილად იყოფა. კულონის მოგერიების ძალების გავლენით ეს ნაწილები შორდებიან მაღალი კინეტიკური ენერგიით ~ 200 მევ, ვინაიდან ამ შემთხვევაში ელექტრული ძალები აღემატება მიზიდულობის ბირთვულ ძალებს. ამ შემთხვევაში ფრაგმენტები რადიოაქტიურია და აღგზნებულ მდგომარეობაშია. ძირითად მდგომარეობაში გადასვლისას ისინი ასხივებენ სწრაფ და დაგვიანებულ ნეიტრონებს, ასევე გ-კვანტებს და სხვა ნაწილაკებს. გამოსხივებულ ნეიტრონებს მეორადი ეწოდება.
დაშლის დროს გამოთავისუფლებული ყველა ბირთვიდან, ნეიტრონების ~99% გამოიყოფა მყისიერად, ხოლო დაგვიანებული ნეიტრონების წილი ~0,75%. ამის მიუხედავად, დაგვიანებული ნეიტრონები გამოიყენება ბირთვულ ენერგიაში, რადგან ეს შესაძლებელს ხდის კონტროლირებადი ბირთვული რეაქციები. სავარაუდოდ, ურანი დაიშლება ფრაგმენტებად, რომელთაგან ერთი მეორეზე დაახლოებით ერთნახევარჯერ მძიმეა. ეს აიხსნება ბირთვული ნეიტრონული ჭურვების გავლენით, ვინაიდან ენერგიულად უფრო ხელსაყრელია ბირთვის გაყოფა ისე, რომ ნეიტრონების რაოდენობა თითოეულ ფრაგმენტში მიუახლოვდეს ერთ-ერთ ჯადოსნურ რიცხვს - 50 ან 82. ასეთი ფრაგმენტები შეიძლება იყოს, მაგალითად, ბირთვები და.
განსხვავება შორის მაქსიმალური მნიშვნელობაპოტენციური ენერგია ე რ(რ) და მისი მნიშვნელობა at სტაბილური ბირთვებისთვის ეწოდება აქტივაციის ენერგია. მაშასადამე, ბირთვული დაშლისთვის აუცილებელია მას მივცეთ ენერგია არანაკლებ აქტივაციის ენერგიაზე. ამ ენერგიას მოაქვს ნეიტრონები, რომელთა შთანთქმის შემდეგ წარმოიქმნება აგზნებული ნაერთი ბირთვები.
კვლევამ აჩვენა, რომ იზოტოპური ბირთვები განიცდიან დაშლას ნებისმიერი ნეიტრონის დაჭერის შემდეგ, მათ შორის თერმული. ურანის იზოტოპის დაშლისთვის საჭიროა სწრაფი ნეიტრონები 1 მევ-ზე მეტი ენერგიით. ბირთვების ქცევაში ეს განსხვავება დაკავშირებულია ნუკლეონის დაწყვილების ეფექტთან.
რადიოაქტიური ბირთვების სპონტანური დაშლა ასევე შესაძლებელია გარე აგზნების არარსებობის შემთხვევაში, რაც დაფიქსირდა 1940 წელს. ამ შემთხვევაში, ბირთვული დაშლა შეიძლება მოხდეს დაშლის პროდუქტების გაჟონვით პოტენციური ბარიერის მეშვეობით გვირაბის ეფექტის შედეგად. სხვა დამახასიათებელი თვისებაბირთვული რეაქციები, რომლებიც ხდება რთული ბირთვის მეშვეობით, გარკვეულ პირობებში, არის სიმეტრია მასის სისტემაში გაფანტული ნაწილაკების კუთხური განაწილების, რომლებიც წარმოიქმნება ნაერთი ბირთვის დაშლის დროს.
პირდაპირი ბირთვული რეაქციები ასევე შესაძლებელია, მაგალითად,
რომელიც გამოიყენება ნეიტრონების წარმოებისთვის.
მძიმე ბირთვების დაშლისას ენერგია გამოიყოფა საშუალოდ ~ 200 მევ-ის ტოლი ყოველი დაშლილი ბირთვისთვის, რომელიც ე.წ. ბირთვული ან ატომური ენერგია. ეს ენერგია იწარმოება ბირთვულ რეაქტორებში.
ბუნებრივი ურანი შეიცავს 99,3% იზოტოპს და 0,7% იზოტოპს, რომელიც ბირთვული საწვავია. ურანის და თორიუმის იზოტოპებია ნედლეული, საიდანაც ხელოვნურად მიიღება იზოტოპები და იზოტოპები, რომლებიც ასევე ბირთვული საწვავია და ქ ბუნებრივი მდგომარეობაბუნებაში არ გვხვდება. პლუტონიუმის იზოტოპი მიიღება, მაგალითად, რეაქციაში
ურანის იზოტოპი მიიღება, მაგალითად, რეაქციაში
სად 
რეაქციას ნიშნავს
.
ბირთვული იზოტოპები იშლება მხოლოდ სწრაფი ნეიტრონების მიერ, რომელთა ენერგიით > 1 მევ.
მნიშვნელოვანი სიდიდე, რომელიც ახასიათებს გაყოფილ ბირთვს, არის მეორადი ნეიტრონების საშუალო რაოდენობა, რომელიც ბირთვული დაშლის ჯაჭვური რეაქციის განხორციელებაუნდა იყოს მინიმუმ 1 ატომის ბირთვი.ატომის ბირთვების ასეთი რეაქციების დროს წარმოიქმნება ნეიტრონები.
ჯაჭვური რეაქცია პრაქტიკულად მიმდინარეობს გამდიდრებულ ურანზე ბირთვული რეაქტორები. გამდიდრებულ ურანში ურანის იზოტოპის შემცველობა იზოტოპების გამოყოფით 2-5%-მდე მიდის. მოცულობის, რომელსაც იკავებს ნაშთები ნივთიერება ეწოდება ბირთვირეაქტორი. ბუნებრივი ურანისთვის თერმული ნეიტრონის გამრავლების ფაქტორია კ=1.32. სწრაფი ნეიტრონების სიჩქარის თერმულ სიჩქარემდე შესამცირებლად გამოიყენება მოდერატორები (გრაფიტი, წყალი, ბერილიუმი და ა.შ.).
არსებობს განსხვავებული სახეობებიბირთვული რეაქტორები მათი დანიშნულებისა და სიმძლავრის მიხედვით. მაგალითად, ექსპერიმენტული რეაქტორები ახალი ტრანსურანის ელემენტების წარმოებისთვის და ა.შ.
ამჟამად გამოიყენება ბირთვული ენერგია სელექციონერი რეაქტორები (სელექციონერი რეაქტორები),რომელშიც ხდება არა მხოლოდ ენერგიის წარმოება, არამედ გაფანტული ნივთიერების გაფართოებული რეპროდუქცია. ისინი იყენებენ გამდიდრებულ ურანს საკმარისი რაოდენობით მაღალი შემცველობა(30%-მდე) ურანის იზოტოპი.
ასეთი რეაქტორებია სელექციონერებიგამოიყენება ატომურ ელექტროსადგურებში ენერგიის გამოსამუშავებლად. ატომური ელექტროსადგურების მთავარი მინუსი არის რადიოაქტიური ნარჩენების დაგროვება. თუმცა, ნახშირზე მომუშავე ელექტროსადგურებთან შედარებით, ატომური ელექტროსადგურები უფრო ეკოლოგიურად სუფთაა.
ბირთვული დაშლა არის მძიმე ატომის დაყოფა დაახლოებით თანაბარი მასის ორ ფრაგმენტად, რომელსაც თან ახლავს გათავისუფლება. დიდი რაოდენობითენერგია.
დაიწყო ბირთვული დაშლის აღმოჩენა ახალი ერა- "ატომური ხანა". მისი შესაძლო გამოყენების პოტენციალმა და მისი გამოყენების რისკისა და სარგებელის თანაფარდობამ არა მხოლოდ წარმოშვა მრავალი სოციოლოგიური, პოლიტიკური, ეკონომიკური და სამეცნიერო მიღწევები, მაგრამ ასევე სერიოზული პრობლემები. თუნდაც სუფთა სამეცნიერო წერტილიჩვენი გადმოსახედიდან, ბირთვული დაშლის პროცესმა უამრავი თავსატეხი და გართულება შექმნა და მისი სრული თეორიული ახსნა მომავლის საქმეა.
გაზიარება მომგებიანია
შემაკავშირებელი ენერგიები (თითო ნუკლეონზე) განსხვავდება სხვადასხვა ბირთვებისთვის. უფრო მძიმეებს აქვთ უფრო დაბალი შებოჭვის ენერგია, ვიდრე პერიოდული ცხრილის შუაში მდებარეებს.
ეს ნიშნავს, რომ მძიმე ბირთვები, რომელთა ატომური რიცხვი 100-ზე მეტია, სარგებლობენ ორ პატარა ფრაგმენტად დაყოფით, რითაც გამოიყოფა ენერგია, რომელიც გარდაიქმნება ფრაგმენტების კინეტიკურ ენერგიად. ამ პროცესს გაყოფა ეწოდება
სტაბილურობის მრუდის მიხედვით, რომელიც გვიჩვენებს პროტონების რაოდენობის დამოკიდებულებას ნეიტრონების რაოდენობაზე სტაბილური ნუკლიდებისთვის, სასურველია უფრო მძიმე ბირთვები. უფრო დიდი რაოდენობანეიტრონები (პროტონების რაოდენობასთან შედარებით) ვიდრე მსუბუქია. ეს იმაზე მეტყველებს, რომ დაშლის პროცესთან ერთად გამოიყოფა ზოგიერთი „სათადარიგო“ ნეიტრონი. გარდა ამისა, ისინი ასევე შთანთქავენ გამოთავისუფლებული ენერგიის ნაწილს. ურანის ატომის ბირთვის დაშლის შესწავლამ აჩვენა, რომ გამოიყოფა 3-4 ნეიტრონი: 238 U → 145 La + 90 Br + 3n.
ფრაგმენტის ატომური ნომერი (და ატომური მასა) ნახევარს არ უდრის ატომური მასამშობელი. გაყოფის შედეგად წარმოქმნილ ატომთა მასებს შორის სხვაობა, როგორც წესი, დაახლოებით 50-ია. თუმცა ამის მიზეზი ბოლომდე გასაგები ჯერ არ არის.
238 U, 145 La და 90 Br შემაკავშირებელი ენერგიები არის 1803, 1198 და 763 მევ, შესაბამისად. ეს ნიშნავს, რომ ამ რეაქციის შედეგად გამოიყოფა ურანის ბირთვის დაშლის ენერგია, რომელიც უდრის 1198 + 763-1803 = 158 მევ.
სპონტანური გაყოფა
სპონტანური დაშლის პროცესები ცნობილია ბუნებაში, მაგრამ ისინი ძალიან იშვიათია. ამ პროცესის საშუალო სიცოცხლის ხანგრძლივობაა დაახლოებით 10 17 წელი და, მაგალითად, იგივე რადიონუკლიდის ალფა დაშლის საშუალო სიცოცხლე დაახლოებით 10 11 წელია.
ამის მიზეზი ის არის, რომ ბირთვმა ორ ნაწილად გასაყოფად ჯერ უნდა განიცადოს დეფორმაცია (გაჭიმვა) ელიფსოიდური ფორმით, შემდეგ კი, სანამ საბოლოოდ ორ ნაწილად გაიყოფა, შუაში ჩამოყალიბდეს „კისერი“.
პოტენციური ბარიერი
დეფორმირებულ მდგომარეობაში ბირთვზე მოქმედებს ორი ძალა. ერთი არის გაზრდილი ზედაპირის ენერგია (თხევადი წვეთების ზედაპირული დაძაბულობა ხსნის მის სფერულ ფორმას) და მეორე არის კულონის მოგერიება დაშლის ფრაგმენტებს შორის. ისინი ერთად ქმნიან პოტენციურ ბარიერს.
როგორც ალფა დაშლის შემთხვევაში, ურანის ატომის ბირთვის სპონტანური გაყოფის მიზნით, ფრაგმენტებმა უნდა გადალახონ ეს ბარიერი კვანტური გვირაბის გამოყენებით. ბარიერის მნიშვნელობა არის დაახლოებით 6 მევ, როგორც ალფა დაშლის შემთხვევაში, მაგრამ ალფა ნაწილაკების გვირაბის ალბათობა გაცილებით მეტია, ვიდრე ბევრად უფრო მძიმე ატომური დაშლის პროდუქტი.
იძულებითი გაყოფა
ბევრად უფრო სავარაუდოა ურანის ბირთვის გამოწვეული დაშლა. ამ შემთხვევაში დედა ბირთვი დასხივებულია ნეიტრონებით. თუ მშობელი შთანთქავს მას, მაშინ ისინი აკავშირებენ, ათავისუფლებენ კავშირის ენერგიას ფორმაში ვიბრაციული ენერგია, რომელიც შეიძლება აღემატებოდეს 6 მევ-ს, რომელიც საჭიროა პოტენციური ბარიერის დასაძლევად.
როდესაც დამატებითი ნეიტრონის ენერგია არ არის საკმარისი პოტენციური ბარიერის დასაძლევად, შემხვედრ ნეიტრონს უნდა ჰქონდეს მინიმალური კინეტიკური ენერგია, რათა შეძლოს ატომის დაშლის გამოწვევა. 238 U-ის შემთხვევაში დამატებითი ნეიტრონების შემაკავშირებელ ენერგიას აკლია დაახლოებით 1 მევ. ეს ნიშნავს, რომ ურანის ბირთვის დაშლა გამოწვეულია მხოლოდ ნეიტრონით, რომლის კინეტიკური ენერგია 1 მევ-ზე მეტია. მეორეს მხრივ, 235 U იზოტოპს აქვს ერთი დაუწყვილებელი ნეიტრონი. როდესაც ბირთვი შთანთქავს დამატებით ბირთვს, ის წყვილდება მასთან და ეს დაწყვილება იწვევს დამატებით შეკვრის ენერგიას. ეს საკმარისია იმისთვის, რომ გაათავისუფლოს ბირთვის მიერ პოტენციური ბარიერის დასაძლევად საჭირო ენერგიის რაოდენობა და იზოტოპის გაყოფა ხდება ნებისმიერ ნეიტრონთან შეჯახებისას.
ბეტა დაშლა
მიუხედავად იმისა, რომ დაშლის რეაქცია წარმოქმნის სამ ან ოთხ ნეიტრონს, ფრაგმენტები მაინც შეიცავს უფრო მეტ ნეიტრონს, ვიდრე მათი სტაბილური იზობარები. ეს ნიშნავს, რომ დაშლის ფრაგმენტები, როგორც წესი, არასტაბილურია ბეტა დაშლის მიმართ.
მაგალითად, როდესაც ხდება ურანის 238 U ბირთვის დაშლა, სტაბილური იზობარი A = 145 არის ნეოდიმი 145 Nd, რაც ნიშნავს, რომ ლანთანის 145 La ფრაგმენტი იშლება სამ ეტაპად, ყოველ ჯერზე ასხივებს ელექტრონს და ანტინეიტრინოს. იქმნება სტაბილური ნუკლიდი. სტაბილური იზობარი A = 90-ით არის ცირკონიუმი 90 Zr, ამიტომ ბრომი 90 Br-ის დაშლის ფრაგმენტი იშლება β-დაშლის ჯაჭვის ხუთ ეტაპად.
ეს β-დაშლის ჯაჭვები ათავისუფლებს დამატებით ენერგიას, რომელიც თითქმის ყველა გადატანილია ელექტრონებითა და ანტინეიტრინოებით.
ბირთვული რეაქციები: ურანის ბირთვების დაშლა
ნეიტრონის პირდაპირი ემისია ნუკლიდიდან, რომელსაც აქვს ძალიან ბევრი ნეიტრონი, ბირთვული სტაბილურობის უზრუნველსაყოფად, ნაკლებად სავარაუდოა. აქ საქმე იმაშია, რომ არ არსებობს კულონის მოგერიება და, შესაბამისად, ზედაპირის ენერგია მიდრეკილია შეინარჩუნოს ნეიტრონი მშობელთან მიბმული. თუმცა, ეს ზოგჯერ ხდება. მაგალითად, ბეტა დაშლის პირველ ეტაპზე 90 Br დაშლის ფრაგმენტი წარმოქმნის კრიპტონ-90-ს, რომელიც შეიძლება იყოს აღგზნებულ მდგომარეობაში, საკმარისი ენერგიით, რომ გადალახოს ზედაპირის ენერგია. ამ შემთხვევაში ნეიტრონის ემისია შეიძლება მოხდეს უშუალოდ კრიპტონ-89-ის წარმოქმნით. ჯერ კიდევ არასტაბილურია β დაშლის მიმართ, სანამ არ გახდება სტაბილური იტრიუმ-89, ამიტომ კრიპტონ-89 იშლება სამ საფეხურზე.
ურანის ბირთვების დაშლა: ჯაჭვური რეაქცია
დაშლის რეაქციაში გამოსხივებული ნეიტრონები შეიძლება შეიწოვოს სხვა მშობელი ბირთვით, რომელიც შემდეგ თავად განიცდის ინდუცირებულ დაშლას. ურანი-238-ის შემთხვევაში, სამი ნეიტრონი, რომელიც წარმოიქმნება, გამოდის 1 მევ-ზე ნაკლები ენერგიით (ურანის ბირთვის დაშლის დროს გამოთავისუფლებული ენერგია - 158 მევ - ძირითადად გარდაიქმნება დაშლის ფრაგმენტების კინეტიკურ ენერგიად. ), ამიტომ მათ არ შეუძლიათ გამოიწვიონ ამ ნუკლიდის შემდგომი დაშლა. თუმცა, იშვიათი იზოტოპის 235 U მნიშვნელოვანი კონცენტრაციით, ამ თავისუფალ ნეიტრონებს შეუძლიათ დაიჭირონ 235 U ბირთვი, რამაც შეიძლება რეალურად გამოიწვიოს გახლეჩვა, რადგან ამ შემთხვევაში არ არსებობს ენერგეტიკული ბარიერი, რომლის ქვემოთ დაშლა არ არის გამოწვეული.
ეს არის ჯაჭვური რეაქციის პრინციპი.
ბირთვული რეაქციების სახეები
მოდით k იყოს ამ ჯაჭვის n სტადიაზე დაშლილი მასალის ნიმუშში წარმოქმნილი ნეიტრონების რაოდენობა, გაყოფილი n - 1 ეტაპზე წარმოქმნილი ნეიტრონების რაოდენობაზე. ეს რიცხვი დამოკიდებული იქნება იმაზე, თუ რამდენი ნეიტრონი შეიწოვება n - 1 სტადიაზე. ბირთვის მიერ, რომელიც შეიძლება გაიაროს იძულებითი გაყოფა.
თუ კ< 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.
თუ k > 1, მაშინ ჯაჭვური რეაქცია გაიზრდება მანამ, სანამ არ გამოიყენებ მთელი დაშლილი მასალა, რაც მიიღწევა ბუნებრივი მადნის გამდიდრებით ურანი-235-ის საკმარისად დიდი კონცენტრაციის მისაღებად. სფერული ნიმუშისთვის k-ის მნიშვნელობა იზრდება ნეიტრონის შთანთქმის ალბათობის გაზრდით, რაც დამოკიდებულია სფეროს რადიუსზე. ამიტომ, U მასა უნდა აღემატებოდეს გარკვეულ რაოდენობას, რათა მოხდეს ურანის ბირთვების დაშლა (ჯაჭვური რეაქცია).
თუ k = 1, მაშინ ხდება კონტროლირებადი რეაქცია. ეს გამოიყენება ბირთვულ რეაქტორებში. პროცესს აკონტროლებს კადმიუმის ან ბორის ღეროების განაწილება ურანს შორის, რომლებიც შთანთქავენ ნეიტრონების უმეტეს ნაწილს (ამ ელემენტებს აქვთ ნეიტრონების დაჭერის უნარი). ურანის ბირთვის დაშლა ავტომატურად კონტროლდება ღეროების გადაადგილებით ისე, რომ k-ის მნიშვნელობა დარჩეს ერთიანობის ტოლი.