Нуклеарна фисија- процес на разделување на атомско јадро на две (поретко три) јадра со слични маси, наречени фрагменти на фисија. Како резултат на фисија, може да се појават и други производи на реакција: светлосни јадра (главно алфа честички), неутрони и гама зраци. Фисијата може да биде спонтана (спонтана) и присилна (како резултат на интеракција со други честички, првенствено неутрони). Расцепувањето на тешките јадра е егзотермичен процес, како резултат на кој се ослободува голема количина на енергија во форма на кинетичка енергија на реакционите производи, како и зрачење. Нуклеарната фисија служи како извор на енергија во нуклеарните реактори и нуклеарното оружје. Процесот на фисија може да се случи само кога потенцијалната енергија на почетната состојба на јадрото на фисија го надминува збирот на масите на фрагментите на фисија. Бидејќи специфичната енергија на врзување на тешките јадра се намалува со зголемување на нивната маса, овој услов е задоволен за скоро сите јадра со масен број .

Сепак, како што покажува искуството, дури и најтешките јадра се расцепуваат спонтано со многу мала веројатност. Ова значи дека постои енергетска бариера ( бариера на фисија), спречување на поделба. Се користат неколку модели за да се опише процесот на нуклеарна фисија, вклучувајќи ја и пресметката на бариерата за фисија, но ниту еден од нив не може целосно да го објасни процесот.

Фактот дека енергијата се ослободува при фисија на тешки јадра директно произлегува од зависноста на специфичната енергија на врзување ε = Е светлина (A,Z)/A од масениот број A. Кога тешко јадро се расцепува, се формираат полесни јадра во кои нуклеоните се посилно врзани, а дел од енергијата се ослободува при фисија. Како по правило, нуклеарната фисија е придружена со емисија на 1-4 неутрони. Да ја изразиме енергијата на фисија Q во однос на енергиите на врзување на почетните и крајните јадра. Енергијата на почетното јадро, составено од Z протони и N неутрони, со маса M(A,Z) и енергија на врзување E st (A,Z) ја пишуваме во следнава форма:

M(A,Z)c2 = (Zm p + Nm n)c 2 - E St (A,Z).

Поделбата на јадрото (A,Z) на 2 фрагменти (A 1,Z 1) и (A 2,Z 2) е придружена со формирање на N n = A – A 1 – A 2 ги поттикнуваат неутроните. Ако јадрото (A,Z) се подели на фрагменти со маси M 1 (A 1 ,Z 1), M 2 (A 2 ,Z 2) и сврзувачки енергии E св1 (A 1,Z 1), E св2 (A 2 , Z 2), тогаш за енергијата на фисија го имаме изразот:

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. Елементарна теорија на фисија.

Во 1939 г Н. БорИ Џ. Вилер, и Да. ФренкелДолго пред фисијата сеопфатно да се проучува експериментално, беше предложена теорија за овој процес, заснована на идејата за јадрото како капка наелектризирана течност.

Енергијата ослободена за време на фисија може да се добие директно од Формули на Вајцекер.

Дозволете ни да ја пресметаме количината на енергија ослободена за време на фисија на тешко јадро. Да ги замениме во (f.2) изразите за сврзувачките енергии на јадрата (f.1), претпоставувајќи A 1 = 240 и Z 1 = 90. Занемарување на последниот член во (f.1) поради неговата мала и замена ги добиваме вредностите на параметрите a 2 и a 3

Од ова добиваме дека фисијата е енергетски поволна кога Z 2 /A > 17. Вредноста на Z 2 /A се нарекува параметар на фисибилност. Енергијата Е ослободена за време на фисија се зголемува со зголемување на Z 2 /A; Z 2 /A = 17 за јадра во регионот на итриум и циркониум. Од добиените проценки е јасно дека фисијата е енергетски поволна за сите јадра со A > 90. Зошто повеќето јадра се стабилни во однос на спонтана фисија? За да одговориме на ова прашање, да погледнеме како се менува обликот на јадрото за време на фисија.

За време на процесот на фисија, јадрото последователно минува низ следните фази (сл. 2): топка, елипсоид, гира, два фрагменти во облик на круша, два сферични фрагменти. Како се менува потенцијалната енергија на јадрото за различни фазиподелби? Откако ќе се случи фисија, а фрагментите се наоѓаат на растојание еден од друг многу поголем од нивниот радиус, потенцијалната енергија на фрагментите, одредена од Кулоновата интеракција меѓу нив, може да се смета за еднаква на нула.

Да ја разгледаме почетната фаза на фисија, кога јадрото, со зголемување на r, добива форма на сè поиздолжен елипсоид на револуција. Во оваа фаза на поделба, r е мерка за отстапување на јадрото од сферичната форма (сл. 3). Поради еволуцијата на обликот на јадрото, промената на неговата потенцијална енергија се определува со промената на збирот на површината и кулоновите енергии E" n + E" k. Се претпоставува дека волуменот на јадрото останува непроменет за време на процесот на деформација. Во овој случај, површинската енергија E"n се зголемува, како што се зголемува површината на јадрото. Кулоновата енергија E"k се намалува, како што се зголемува просечното растојание помеѓу нуклеоните. Сферичното јадро, како резултат на мала деформација што се карактеризира со мал параметар, нека добие форма на аксијално симетричен елипсоид. Може да се покаже дека површинската енергија E" n и Кулоновата енергија E" k варираат на следниов начин во зависност од:

Во случај на мали елипсоидни деформации, зголемувањето на површинската енергија се случува побрзо од намалувањето на Кулоновата енергија. Во регионот на тешки јадра 2E n > E k збирот на енергиите на површината и Кулонот се зголемува со зголемување. Од (f.4) и (f.5) следува дека при мали елипсоидни деформации, зголемувањето на површинската енергија ги спречува понатамошните промени во обликот на јадрото и, следствено, фисија. Изразот (f.5) важи за мали вредности (мали деформации). Ако деформацијата е толку голема што јадрото добива форма на гира, тогаш силите на површинскиот напон, како силите на Кулон, имаат тенденција да го одделат јадрото и да им дадат на фрагментите сферична форма. Во оваа фаза на фисија, зголемувањето на напрегањето е придружено со намалување и на Кулоновата и на површинската енергија. Оние. со постепено зголемување на деформацијата на јадрото, неговата потенцијална енергија поминува низ максимум. Сега r го има значењето на растојанието помеѓу центрите на идните фрагменти. Како што фрагментите се оддалечуваат едни од други, потенцијалната енергија на нивната интеракција ќе се намалува, бидејќи Кулоновата одбивна енергија E k се намалува. Зависноста на потенцијалната енергија од растојанието помеѓу фрагментите е прикажана на сл. 4. Нултото ниво на потенцијална енергија одговара на збирот на површинската и Кулоновата енергија на два фрагменти кои не се во интеракција. Присуството на потенцијална бариера го спречува моменталното спонтано фисија на јадрата. За да може јадрото веднаш да се подели, треба да даде енергија Q што ја надминува висината на бариерата H. Максималната потенцијална енергија на фисилното јадро е приближно еднаква на e 2 Z 2 /(R 1 + R 2), каде што R 1 и R 2 се радиусите на фрагментите. На пример, кога златното јадро е поделено на два идентични фрагменти, e 2 Z 2 /(R 1 + R 2) = 173 MeV, и количината на енергија E ослободена за време на фисија ( види формула (f.2)), еднакво на 132 MeV. Така, при фисија на златно јадро, потребно е да се надмине потенцијална бариера со висина од околу 40 MeV. Колку е поголема висината на бариерата H, толку е помал односот на Кулоновата и површинската енергија E до /E p во почетното јадро. Овој сооднос, пак, се зголемува со зголемување на параметарот на деливост Z 2 /A ( види (f.4)). Колку е потешко јадрото, толку е помала висината на бариерата H , бидејќи параметарот на фисибилност се зголемува со зголемување на бројот на масата:

Оние. Според моделот на капки, во природата не треба да има јадра со Z 2 /A > 49, бидејќи тие спонтано се расцепуваат речиси моментално (во карактеристично нуклеарно време од редот на 10 -22 секунди). Постоењето на атомски јадра со Z 2 /A > 49 („остров на стабилност“) се објаснува со структурата на обвивката. Зависноста на обликот, висината на потенцијалната бариера H и енергијата на фисија Е од вредноста на параметарот на фисија Z 2 /A е прикажана на сл. 5.

Спонтана фисија на јадра со Z 2 /A< 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 година за 232 Th до 0,3 секунди за 260 Ku. Принудена фисија на јадра со Z 2 /A < 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.

Енергијата Е ослободена за време на фисијата се зголемува со зголемување на Z 2 /A. Вредноста на Z 2 /A = 17 за 89 Y (итриум). Оние. фисијата е енергетски поволна за сите јадра потешки од итриумот. Зошто повеќето јадра се отпорни на спонтана фисија? За да одговорите на ова прашање, неопходно е да се разгледа механизмот за поделба.

Во текот на процесот на фисија, обликот на јадрото се менува. Јадрото секвенцијално минува низ следните фази (сл. 7.1): топка, елипсоид, гира, два фрагменти во облик на круша, два сферични фрагменти. Како се менува потенцијалната енергија на јадрото во различни фази на фисија?
Почетно јадро со зголемување рдобива форма на сè поиздолжен елипсоид на револуција. Во овој случај, поради еволуцијата на обликот на јадрото, промената на неговата потенцијална енергија се определува со промената на збирот на површината и кулоновата енергија E p + E k. Во овој случај, површинската енергија се зголемува како површината на јадрото се зголемува. Кулоновата енергија се намалува како што се зголемува просечното растојание помеѓу протоните. Ако, при мала деформација, карактеризирана со мал параметар, првобитното јадро добило облик на аксијално симетричен елипсоид, површинската енергија E" p и Кулоновата енергија E" k како функции на параметарот на деформација се менуваат на следниов начин:

Во сооднос (7,4-7,5) Е n и Е k се површинската и Кулоновата енергија на почетното сферично симетрично јадро.
Во регионот на тешките јадра 2E p > E k и збирот на површинските и куломовите енергии се зголемуваат со зголемување. Од (7.4) и (7.5) следува дека при мали деформации, зголемувањето на површинската енергија спречува понатамошни промени во обликот на јадрото и, следствено, фисија.
Врската (7.5) важи за мали деформации. Ако деформацијата е толку голема што јадрото добива форма на гира, тогаш површината и силите на Кулон имаат тенденција да го раздвојат јадрото и да им дадат на фрагментите сферична форма. Така, со постепено зголемување на деформацијата на јадрото, неговата потенцијална енергија поминува низ максимум. На сл. 7.2.

Присуството на потенцијална бариера го спречува моменталното спонтано фисија на јадрата. За да може јадрото да се подели, треба да даде енергија Q што ја надминува висината на бариерата за фисија H. Максималната потенцијална енергија на јадрото што се расцепува E + H (на пример злато) на два идентични фрагменти е ≈ 173 MeV, а количината на енергија Е ослободена при фисија е 132 MeV . Така, кога златното јадро се расцепува, неопходно е да се надмине потенцијалната бариера со висина од околу 40 MeV.
Висината на бариерата за фисија H е поголема, толку е помал односот на Кулоновата и површинската енергија E до /E p во почетното јадро. Овој сооднос, пак, се зголемува со зголемување на параметарот на поделба Z 2 /A (7.3). Колку е потешко јадрото, толку е помала висината на бариерата за фисија H, бидејќи параметарот на фисија, под претпоставка дека Z е пропорционален на A, се зголемува со зголемување на масениот број:

E k /E p = (a 3 Z 2) / (a ​​2 A) ~ A.

(7.6)

Затоа, потешките јадра генерално треба да даваат помалку енергија за да предизвикаат нуклеарна фисија.
Висината на бариерата за фисија исчезнува при 2E p – E k = 0 (7,5). Во овој случај

2E p /E k = 2(a 2 A)/(a 3 Z 2),

Z 2 /A = 2a 2 /(a 3 Z 2) ≈ 49.

Така, според моделот на капки, јадрата со Z 2 /A > 49 не можат да постојат во природата, бидејќи тие мора речиси веднаш, во карактеристично нуклеарно време од редот од 10-22 секунди, спонтано да се поделат на два фрагменти. Зависностите на обликот и висината на потенцијалната бариера H, како и енергијата на фисија од вредноста на параметарот Z 2 /A се прикажани на сл. 7.3.

Ориз. 7.3. Радијална зависност на обликот и висината на потенцијалната бариера и енергијата на фисија E при различни вредности на параметарот Z 2 /A. На вертикална оскасе исцртува вредноста E p + E k.

Спонтана фисија на јадра со Z 2 /A< 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 година за 232 Th до 0,3 секунди за 260 Rf.
Принудена фисија на јадра со Z 2 /A< 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.
Минималната вредност на енергијата на возбудување на сложеното јадро E* формирано за време на фаќањето на неутроните е еднаква на енергијата на врзување на неутроните во ова јадро ε n. Табелата 7.1 ја споредува висината на бариерата H и енергијата на врзување на неутроните ε n за изотопите Th, U и Pu формирани по зафаќањето на неутроните. Енергијата на врзување на неутронот зависи од бројот на неутрони во јадрото. Поради енергијата на спарување, енергијата на врзување на парен неутрон е поголема од енергијата на врзување на непарен неутрон.

Табела 7.1

Висина на бариерата на фисија H, енергија на врзување на неутрони ε n

Изотоп	Висина на бариерата на фисија H, MeV	Изотоп	Енергија на врзување на неутрони ε n
232 Th	5.9	233-ти	4.79
233U	5.5	234 U	6.84
235 U	5.75	236 U	6.55
238 U	5.85	239 U	4.80
239 Пу	5.5	240 Пу	6.53

Карактеристична карактеристика на фисијата е тоа што фрагментите, по правило, имаат различни маси. Во случај на најверојатната фисија од 235 U, односот на масата на фрагментите е во просек ~ 1,5. Распределбата на масата на фрагментите од фисијата на 235 U со термички неутрони е прикажана на сл. 7.4. За најверојатната фисија, тешкиот фрагмент има масен број 139, лесниот - 95. Меѓу производите на фисија има фрагменти со A = 72 - 161 и Z = 30 - 65. Веројатноста за фисија на два фрагменти од еднаква маса не е нула. Кога 235 U се расцепува со термички неутрони, веројатноста за симетрична фисија е приближно три реда на големина помала отколку во случајот на најверојатната фисија на фрагменти со A = 139 и 95.
Асиметричната поделба се објаснува со структурата на обвивката на јадрото. Јадрото има тенденција да се подели на таков начин што главниот дел од нуклеоните на секој фрагмент го формира најстабилниот магичен скелет.
Односот на бројот на неутрони со бројот на протони во јадрото 235 U N/Z = 1,55, додека за стабилни изотопи со масен број близок до масениот број на фрагменти, овој однос е 1,25 − 1,45. Следствено, фрагментите од фисија се покажаа дека се силно преоптоварени со неутрони и мора да бидат
β - радиоактивен. Затоа, фрагментите од фисија доживуваат последователни β - распаѓања, а полнежот на примарниот фрагмент може да се промени за 4 - 6 единици. Подолу е типичен синџир на радиоактивни распаѓања од 97 Kr, еден од фрагментите формирани за време на фисијата на 235 U:

Побудувањето на фрагменти, предизвикано од нарушување на односот на бројот на протони и неутрони, карактеристично за стабилните јадра, исто така се отстранува поради емисијата на брза фисија неутрони. Овие неутрони се емитираат со поместување на фрагменти за време помало од ~ 10 -14 s. Во просек, 2-3 брзи неутрони се емитираат во секој настан на фисија. Нивниот енергетски спектар е континуиран со максимум околу 1 MeV. Просечната енергија на брзиот неутрон е блиску до 2 MeV. Емисијата на повеќе од еден неутрон во секој настан на фисија овозможува да се добие енергија преку верижна реакција на нуклеарна фисија.
Со најверојатната фисија од 235 U од топлинските неутрони, лесен фрагмент (A = 95) добива кинетичка енергија од ≈ 100 MeV, а тежок фрагмент (A = 139) стекнува кинетичка енергија од околу 67 MeV. Така, вкупната кинетичка енергија на фрагментите е ≈ 167 MeV. Вкупната енергија на фисија во овој случај е 200 MeV. Така, преостанатата енергија (33 MeV) се дистрибуира меѓу другите производи на фисија (неутрони, електрони и антинеутрина од фрагменти на β-распаѓање, γ-зрачење од фрагменти и нивните производи на распаѓање). Распределбата на енергијата на фисија помеѓу различните производи за време на фисијата на 235 U со термички неутрони е дадена во Табела 7.2.

Табела 7.2

Дистрибуција на енергија на фисија 235 U термички неутрони

Производите за нуклеарна фисија (NFP) се сложена мешавина од повеќе од 200 радиоактивни изотопи од 36 елементи (од цинк до гадолиниум). Најголем дел од активноста доаѓа од краткотрајните радионуклиди. Така, 7, 49 и 343 дена по експлозијата, активноста на PYD се намалува за 10, 100 и 1000 пати, соодветно, во споредба со активноста еден час по експлозијата. Приносот на биолошки најзначајните радионуклиди е даден во Табела 7.3. Покрај PYN, радиоактивната контаминација е предизвикана од радионуклиди со индуцирана активност (3 H, 14 C, 28 Al, 24 Na, 56 Mn, 59 Fe, 60 Co, итн.) и неподелениот дел од ураниум и плутониум. Особено голема е улогата на индуцираната активност при термонуклеарни експлозии.

Табела 7.3

Ослободување на некои производи од фисија од нуклеарна експлозија

Радионуклид	Пола живот	Излез по поделба, %	Активност на 1 Mt, 10 15 Bq
89 постариот	50,5 дена.	2.56	590
90 постариот	29,12 години	3.5	3.9
95 Зр	65 дена	5.07	920
103 Ру	41 ден	5.2	1500
106 Ру	365 дена	2.44	78
131 И	8,05 дена	2.9	4200
136 Cs	13,2 дена	0.036	32
137 Cs	30 години	5.57	5.9
140 ба	12,8 дена	5.18	4700
141 Cs	32,5 дена.	4.58	1600
144 Cs	288 дена	4.69	190
3 H	12,3 години	0.01	2,6·10 -2

За време на нуклеарни експлозии во атмосферата, значителен дел од врнежите (до 50% за експлозии на земја) паѓа во близина на областа за тестирање. Некои радиоактивни материи се задржуваат во долниот дел од атмосферата и под влијание на ветерот се движат на долги растојанија, останувајќи на приближно иста географска ширина. Останувајќи во воздухот околу еден месец, радиоактивните материи постепено паѓаат на Земјата за време на ова движење. Повеќето од радионуклидите се емитираат во стратосферата (до височина од 10-15 km), каде што се глобално дисипирани и во голема мера се распаѓаат.
Различни структурни елементи на нуклеарните реактори се многу активни со децении (Табела 7.4)

Табела 7.4

Вредности на специфична активност (Bq/t ураниум) на главните производи за фисија во горивните елементи отстранети од реакторот по три години работа

Радионуклид	0	1 ден	120 дена	1 година		10 години
85 Кр	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 постариот	4. 04· 10 16	3. 98· 10 16	5. 78· 10 15	2. 7· 10 14	1. 2· 10 10
90 постариот	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 Зр	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 Ру	7. 08· 10 16	6. 95· 10 16	8. 55· 10 15	1. 14· 10 14	2. 97· 10 8
106 Ру	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 И	4. 49· 10 16	4. 19· 10 16	1. 5· 10 12	1. 01· 10 3
134 Cs	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 Cs	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 ба	7. 93· 10 16	7. 51· 10 16	1. 19· 10 14	2. 03· 10 8
140 Ла	8. 19· 10 16	8. 05· 10 16	1. 37· 10 14	2. 34· 10 8
141 Це	7. 36· 10 16	7. 25· 10 16	5. 73· 10 15	3. 08· 10 13	5. 33· 10 6
144 Це	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 часот	6. 77· 10 16	6. 70· 10 16	1. 65· 10 14	6. 11· 10 8
147 часот	7. 05·10 15	7. 05· 10 15	6. 78· 10 15	5. 68· 10 15	3. 35· 10 14

Реакции на нуклеарна фисија.

Трансформацијата на јадрата при интеракција со елементарни честички или едни со други се нарекуваат нуклеарни реакции.Нуклеарните реакции се главниот метод за проучување на структурата на јадрата и нивните својства. Нуклеарните реакции ги почитуваат законите за зачувување: електричен полнеж, барионски полнеж, лептонски полнеж, енергија, импулситн. На пример, законот за зачувување на барионскиот полнеж се сведува на фактот дека вкупниот број на нуклеони не се менува како резултат на нуклеарна реакција.

Нуклеарни реакции може да се појават со ослободување или апсорпција на енергија П, што е 10 6 пати поголема од енергијата на хемиските реакции. Ако П> 0 енергија се ослободува (егзотермична реакција). На пример,

На П < 0 – поглощение энергии (ендотермична реакција). На пример,

Се карактеризираат нуклеарни реакции ефективна реакција на пресек(ако радиусот на јадрото е поголем од брановата должина на де Броље на честичката).

Излез на нуклеарна реакција В– однос на бројот на настани на нуклеарна реакција Д Нна бројот на честички Н, паѓајќи цели 1 cm 2, т.е.

,

Каде n– концентрација на јадра.

Многу нуклеарни реакции при ниски енергии минуваат низ фазата на формирање сложено јадро. Значи, за неутрон да прелета низ јадрото со брзина од 10 7 m/s, потребно е време од редот од t = 10 –22 s. Времето на реакција е 10 - 16 -10 - 12 s или (10 6 -10 10)t. Тоа значи дека меѓу нуклеоните во јадрото ќе има голем бројсудири и се формира средна состојба - сложено јадро. Карактеристично време t се користи кога се анализираат процесите што се случуваат во кернелот.

Како што се намалува брзината на неутронот, времето на неговата интеракција со јадрото и веројатноста за негово заробување од јадрото се зголемуваат, бидејќи ефективниот пресек е обратно пропорционален на брзината на честичките (). Ако вкупната енергија на неутронот и почетното јадро лежи во регионот каде што се наоѓаат енергетските појаси на сложеното јадро, тогаш веројатноста за формирање на квазистационарно енергетско ниво на сложеното јадро е особено голема. Пресекот за нуклеарни реакции при такви енергии на честички нагло се зголемува, формирајќи резонантна максима. Во такви случаи се нарекуваат нуклеарни реакции резонантна. Пресек на резонанција за термичко (бавно) фаќање неутрони ( kT» 0,025 eV) може да биде ~ 10 6 пати поголем од геометрискиот пресек на јадрото

По фаќањето на честичка, сложеното јадро е во возбудена состојба ~ 10 - 14 секунди, а потоа испушта честичка. Можни се неколку канали на радиоактивно распаѓање на сложеното јадро. Можен е и натпреварувачки процес - радијативно зафаќање, кога откако честичката е заробена од јадро, таа оди во возбудена состојба, а потоа, откако емитира г-квант, оди во основна состојба. Ова исто така може да формира сложено јадро.

Куломовите одбивни сили помеѓу позитивно наелектризираните честички на јадрото (протоните) не го промовираат, туку го попречуваат излезот на овие честички од јадрото. Ова се должи на влијанието центрифугална бариера. Ова се објаснува со фактот дека одбивните сили одговараат на позитивна енергија. Ја зголемува висината и ширината на Кулоновата потенцијална бариера. Излезот на позитивно наелектризираната честичка од јадрото е процес на подбариера. Колку е поголема и поширока потенцијалната бариера, толку е помала веројатноста за тоа. Ова е особено значајно за средни и тешки јадра.

На пример, јадрото на изотоп на ураниум, откако зароби неутрон, формира сложено јадро, кое потоа се дели на два дела. Под влијание на Куломовите одбивни сили, овие делови се разлетуваат со висока кинетичка енергија ~ 200 MeV, бидејќи во овој случај електричните сили ги надминуваат нуклеарните сили на привлекување. Во овој случај, фрагментите се радиоактивни и се во возбудена состојба. Преминувајќи во основната состојба, тие испуштаат брзи и одложени неутрони, како и g-кванти и други честички. Емитираните неутрони се нарекуваат секундарни.

Од сите јадра ослободени за време на фисија, ~ 99% од неутроните се ослободуваат веднаш, а уделот на одложени неутрони е ~0,75%. И покрај ова, одложените неутрони се користат во нуклеарната енергија, бидејќи тие го овозможуваат тоа контролирани нуклеарни реакции. Најверојатно, ураниумот ќе се расцепи на фрагменти, од кои едниот е приближно еден и пол пати потежок од другиот. Ова се објаснува со влијанието на нуклеарните неутронски обвивки, бидејќи енергетски е поповолно јадрото да се подели така што бројот на неутрони во секој фрагмент е блиску до еден од магичните броеви - 50 или 82. Таквите фрагменти може да бидат, за пример, јадра и.

Разлика помеѓу максимална вредностпотенцијална енергија Е р(р) и се вика неговата вредност во за стабилни јадра енергија за активирање. Затоа, за нуклеарна фисија неопходно е да му се пренесе енергија не помала од енергијата на активирање. Оваа енергија ја носат неутроните, при чија апсорпција се формираат возбудени сложени јадра.

Истражувањата покажаа дека јадрата на изотоп се подложени на фисија откако ќе заробат какви било неутрони, вклучително и термички. За фисија на изотоп на ураниум, потребни се брзи неутрони со енергија поголема од 1 MeV. Оваа разлика во однесувањето на јадрата е поврзана со ефектот на спарување на нуклеоните.

Можна е спонтана фисија на радиоактивни јадра и во отсуство на надворешно возбудување, што беше забележано во 1940 година. Во овој случај, нуклеарната фисија може да се случи со истекување на производи од фисија низ потенцијална бариера како резултат на ефектот на тунелот. Друга карактеристична особинануклеарните реакции кои се случуваат низ сложеното јадро, под одредени услови, е симетријата во центарот на масовниот систем на аголната дистрибуција на расејувачките честички кои се формираат при распаѓањето на јадрото на соединението.

Можни се и директни нуклеарни реакции, на пример,

кој се користи за производство на неутрони.

При фисија на тешки јадра, енергијата се ослободува еднаква на просек од ~ 200 MeV за секое фисилно јадро, што се нарекува нуклеарна или атомска енергија. Оваа енергија се произведува во нуклеарни реактори.

Природниот ураниум содржи 99,3% изотоп и 0,7% изотоп, што е нуклеарно гориво. Изотопи на ураниум и ториум се суровини, од кои вештачки се добиваат изотопи и изотопи кои се и нуклеарно гориво и во природна состојбане се наоѓаат во природата. Изотоп на плутониум се добива, на пример, во реакцијата

Изотоп на ураниум се добива, на пример, во реакцијата

Каде значи реакција

.
Нуклеарните изотопи се расцепуваат само од брзи неутрони со енергија > 1 MeV.

Важна количина што го карактеризира фисилното јадро е просечниот број на секундарни неутрони, што за спроведување на верижна реакција на нуклеарна фисијаМора да има најмалку 1 атомско јадро При такви реакции на атомските јадра се создаваат неутрони.

Верижната реакција практично се изведува на збогатен ураниум во нуклеарни реактори. Во збогатениот ураниум, содржината на изотоп на ураниум се зголемува на 2-5% со раздвојување на изотопи. Волуменот окупиран од фисилна супстанција се нарекува јадрореактор. За природниот ураниум, термичкиот фактор на множење на неутрони е к=1,32. За да се намали брзината на брзите неутрони на брзината на топлинските, се користат модератори (графит, вода, берилиум итн.).

Постои различни видовинуклеарни реактори во зависност од нивната намена и моќност. На пример, експериментални реактори за производство на нови трансураниумски елементи итн.

Во моментов, нуклеарната енергија користи реактори за одгледување (реактори за одгледување),во кој не се случува само производство на енергија, туку и проширена репродукција на фисилна материја. Тие користат збогатен ураниум со доволно висока содржина(до 30%) изотоп на ураниум.

Такви реактори се одгледувачисе користи за производство на енергија во нуклеарните централи. Главниот недостаток на нуклеарните централи е акумулацијата на радиоактивен отпад. Меѓутоа, во споредба со електраните на јаглен, нуклеарните централи се поеколошки.

Нуклеарната фисија е разделување на тежок атом на два фрагменти со приближно еднаква маса, придружено со ослободување големо количествоенергија.

Откривањето на нуклеарната фисија започна нова ера- „атомска доба“. Потенцијалот на неговата можна употреба и односот ризик-придобивка од неговата употреба не само што доведоа до многу социолошки, политички, економски и научни достигнувања, но, исто така сериозни проблеми. Дури и со чиста научна точкаОд наша гледна точка, процесот на нуклеарна фисија создаде голем број загатки и компликации, а неговото целосно теоретско објаснување е прашање на иднината.

Споделувањето е профитабилно

Енергиите на врзување (по нуклеон) се разликуваат за различни јадра. Потешките имаат помала енергија на врзување од оние што се наоѓаат во средината на периодниот систем.

Ова значи дека тешките јадра со атомски број поголем од 100 имаат корист од делењето на два помали фрагменти, со што се ослободува енергија која се претвора во кинетичка енергија на фрагментите. Овој процес се нарекува разделување

Според кривата на стабилност, која ја покажува зависноста на бројот на протони од бројот на неутрони за стабилни нуклиди, се претпочитаат потешки јадра поголем бројнеутрони (во споредба со бројот на протони) од полесните. Ова сугерира дека некои „резервни“ неутрони ќе бидат емитирани заедно со процесот на фисија. Покрај тоа, тие исто така ќе апсорбираат дел од ослободената енергија. Студијата за фисија на јадрото на атом на ураниум покажа дека се ослободуваат 3-4 неутрони: 238 U → 145 La + 90 Br + 3n.

Атомскиот број (и атомската маса) на фрагментот не е еднаков на половина атомска масародител. Разликата помеѓу масите на атомите формирани како резултат на разделување е обично околу 50. Сепак, причината за тоа сè уште не е сосема јасна.

Врзувачките енергии од 238 U, 145 La и 90 Br се 1803, 1198 и 763 MeV, соодветно. Тоа значи дека како резултат на оваа реакција се ослободува енергијата на фисија на јадрото на ураниумот, еднаква на 1198 + 763-1803 = 158 MeV.

Спонтана фисија

Спонтаните процеси на фисија се познати во природата, но тие се многу ретки. Просечниот животен век на овој процес е околу 10 17 години, а, на пример, просечниот животен век на алфа распаѓањето на истиот радионуклид е околу 10 11 години.

Причината за тоа е што за да се подели на два дела, јадрото прво треба да претрпи деформација (истегнување) во елипсоидна форма, а потоа, пред конечно да се подели на два фрагменти, да формира „врат“ во средината.

Потенцијална бариера

Во деформирана состојба, две сили дејствуваат на јадрото. Едниот е зголемена површинска енергија (површинскиот напон на течна капка ја објаснува нејзината сферична форма), а другата е Кулонова одбивност помеѓу фрагменти од фисија. Заедно тие создаваат потенцијална бариера.

Како и во случајот со алфа распаѓање, за да се случи спонтана фисија на јадрото на атом на ураниум, фрагментите мора да ја надминат оваа бариера користејќи квантно тунелирање. Вредноста на бариерата е околу 6 MeV, како во случај на распаѓање на алфа, но веројатноста за тунелирање на алфа честичките е многу поголема од онаа на многу потешкиот производ на атомска фисија.

Присилно разделување

Многу поверојатно е индуцираната фисија на јадрото на ураниумот. Во овој случај, мајчиното јадро е озрачено со неутрони. Ако родителот го апсорбира, тогаш тие се врзуваат, ослободувајќи ја енергијата на врската во форма вибрациона енергија, што може да надмине 6 MeV потребни за надминување на потенцијалната бариера.

Онаму каде што енергијата на дополнителниот неутрон не е доволна за да се надмине потенцијалната бариера, инцидентниот неутрон мора да има минимална кинетичка енергија за да може да предизвика атомска фисија. Во случај на 238 U, енергијата на врзување на дополнителни неутрони недостасува за околу 1 MeV. Ова значи дека фисијата на јадрото на ураниумот е индуцирана само од неутрон со кинетичка енергија поголема од 1 MeV. Од друга страна, изотопот 235 U има еден неспарен неутрон. Кога јадрото апсорбира дополнително, се спарува со него, а ова спарување резултира со дополнителна енергија на врзување. Ова е доволно за да се ослободи количината на енергија неопходна за јадрото да ја надмине потенцијалната бариера и фисијата на изотопот се случува при судир со кој било неутрон.

Бета распаѓање

Иако реакцијата на фисија произведува три или четири неутрони, фрагментите сепак содржат повеќе неутрони од нивните стабилни изобари. Ова значи дека фрагментите од расцепот имаат тенденција да бидат нестабилни за бета распаѓање.

На пример, кога ќе дојде до фисија на јадрото на ураниум 238 U, стабилниот изобар со A = 145 е неодимиум 145 Nd, што значи дека фрагментот од лантан 145 La се распаѓа во три фази, секој пат кога емитира електрон и антинеутрино, додека се формира стабилен нуклид. Стабилен изобар со A = 90 е циркониум 90 Zr, така што фрагментот на расцепување на бром 90 Br се распаѓа во пет фази од синџирот на β-распаѓање.

Овие синџири на β-распаѓање ослободуваат дополнителна енергија, од која речиси целата е пренесена од електрони и антинеутрина.

Нуклеарни реакции: фисија на јадра на ураниум

Не е веројатно дека директната емисија на неутрони од нуклид со премногу неутрони за да се обезбеди нуклеарна стабилност. Поентата овде е дека нема Кулонова одбивност и затоа површинската енергија има тенденција да го задржи неутронот врзан за родителот. Сепак, ова се случува понекогаш. На пример, фрагментот на фисија од 90 Br во првата фаза на бета распаѓање произведува криптон-90, кој може да биде во возбудена состојба со доволно енергија за да ја надмине површинската енергија. Во овој случај, емисијата на неутрони може да се случи директно со формирањето на криптон-89. сè уште е нестабилен за β-распаѓање додека не стане стабилен итриум-89, така што криптон-89 се распаѓа во три чекори.

Фисија на јадра на ураниум: верижна реакција

Неутроните кои се емитираат во реакцијата на фисија може да се апсорбираат од друго родителско јадро, кое потоа самото претрпува индуцирана фисија. Во случајот на ураниум-238, трите неутрони што се произведуваат излегуваат со енергија помала од 1 MeV (енергијата ослободена за време на фисијата на јадрото на ураниум - 158 MeV - главно се претвора во кинетичка енергија на фрагментите на фисија ), така што тие не можат да предизвикаат понатамошна фисија на овој нуклид. Меѓутоа, при значителна концентрација на реткиот изотоп 235 U, овие слободни неутрони можат да бидат заробени од 235 U јадра, што всушност може да предизвика фисија, бидејќи во овој случај не постои енергетски праг под кој не е индуцирана фисија.

Ова е принципот на верижна реакција.

Видови нуклеарни реакции

Нека k е бројот на неутрони произведени во примерок од фисилен материјал во фаза n од овој синџир, поделен со бројот на неутрони произведени во фаза n - 1. Овој број ќе зависи од тоа колку неутрони произведени во фаза n - 1 се апсорбираат од јадрото кое може да претрпи присилна поделба.

Ако к< 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.

Ако k > 1, тогаш верижната реакција ќе расте додека не се потроши целиот фисилен материјал.Тоа се постигнува со збогатување на природна руда за да се добие доволно голема концентрација на ураниум-235. За сферичен примерок, вредноста на k се зголемува со зголемување на веројатноста за апсорпција на неутрони, што зависи од радиусот на сферата. Затоа, масата U мора да надмине одредена количина за да може да дојде до фисија на јадрата на ураниум (верижна реакција).

Ако k = 1, тогаш се одвива контролирана реакција. Ова се користи во нуклеарните реактори. Процесот е контролиран со дистрибуција на кадмиум или борни прачки меѓу ураниумот, кои апсорбираат најголем дел од неутроните (овие елементи имаат способност да заробат неутрони). Расцепувањето на јадрото на ураниумот се контролира автоматски со поместување на прачките така што вредноста на k останува еднаква на единството.