Jedrska cepitev- proces cepitve atomskega jedra na dve (redkeje tri) jedri s podobnimi masami, imenovani fisijski fragmenti. Zaradi cepitve lahko nastanejo tudi drugi reakcijski produkti: lahka jedra (predvsem alfa delci), nevtroni in gama kvanti. Cepitev je lahko spontana (spontana) in prisilna (kot posledica interakcije z drugimi delci, predvsem z nevtroni). Cepitev težkih jeder je eksotermni proces, zaradi katerega se sprosti velika količina energije v obliki kinetične energije reakcijskih produktov, pa tudi sevanja. Jedrska fisija služi kot vir energije v jedrskih reaktorjih in jedrskem orožju. Do cepitvenega procesa lahko pride šele, ko potencialna energija začetnega stanja cepitvenega jedra preseže vsoto mas cepitvenih drobcev. Ker se specifična vezavna energija težkih jeder z naraščanjem njihove mase zmanjšuje, je ta pogoj izpolnjen za skoraj vsa jedra z masnim številom .

Vendar pa izkušnje kažejo, da se tudi najtežje jedro spontano cepijo z zelo majhno verjetnostjo. To pomeni, da obstaja energetska ovira ( cepitvena pregrada), ki preprečuje delitev. Za opis procesa jedrske cepitve se uporablja več modelov, vključno z izračunom cepitvene pregrade, vendar nobeden od njih ne more popolnoma razložiti procesa.

Dejstvo, da se pri cepitvi težkih jeder sprošča energija, neposredno izhaja iz odvisnosti specifične energije vezave ε = E svetloba (A,Z)/A od masnega števila A. Pri cepitvi težkega jedra nastanejo lažja jedra, v katerih so nukleoni močneje vezani, del energije pa se sprosti pri cepitvi. Praviloma jedrsko cepitev spremlja emisija 1–4 nevtronov. Izrazimo cepitveno energijo Q z vezavno energijo začetnega in končnega jedra. Energijo začetnega jedra, ki ga sestavlja Z protonov in N nevtronov ter ima maso M(A,Z) in vezavno energijo E st (A,Z), zapišemo v obliki:

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

Delitev jedra (A, Z) na 2 fragmenta (A 1, Z 1) in (A 2, Z 2) spremlja tvorba N n = A – A 1 – A 2 promptni nevtroni. Če se jedro (A,Z) razcepi na fragmente z masami M 1 (A 1 ,Z 1), M 2 (A 2 ,Z 2) in veznimi energijami E св1 (A 1,Z 1), E св2 (A 2) , Z 2), potem imamo za cepitveno energijo izraz:

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. Osnovna teorija cepitve.

Leta 1939 N. Bor in J. Wheeler, in Ja. Frenkel Dolgo preden je bila cepitev celovito eksperimentalno raziskana, je bila predlagana teorija tega procesa, ki temelji na zamisli o jedru kot kapljici nabite tekočine.

Energijo, ki se sprosti med cepitvijo, lahko pridobimo neposredno iz Weizsäckerjeve formule.

Izračunajmo količino energije, ki se sprosti pri cepitvi težkega jedra. V (f.2) nadomestimo izraze za vezne energije jeder (f.1) ob predpostavki, da je A 1 = 240 in Z 1 = 90. Zanemarimo zadnji člen v (f.1) zaradi njegove majhnosti in zamenjamo vrednosti parametrov a 2 in a 3, dobimo

Iz tega dobimo, da je cepitev energijsko ugodna, ko je Z 2 /A > 17. Vrednost Z 2 /A imenujemo parameter cepljivosti. Energija E, ki se sprosti med cepitvijo, narašča z naraščanjem Z 2 /A; Z 2 /A = 17 za jedra v itrijevem in cirkonijevem območju. Iz dobljenih ocen je razvidno, da je cepitev energijsko ugodna za vsa jedra z A > 90. Zakaj je večina jeder stabilnih glede na spontano cepitev? Da bi odgovorili na to vprašanje, poglejmo, kako se oblika jedra spreminja med cepitvijo.

Med procesom cepitve jedro zaporedno prehaja skozi naslednje stopnje (slika 2): krogla, elipsoid, bučica, dva hruškasta fragmenta, dva sferična fragmenta. Kako se spreminja potencialna energija jedra za različne stopnje divizije? Ko pride do cepitve in se fragmenti nahajajo na razdalji drug od drugega, ki je veliko večja od njihovega polmera, lahko potencialno energijo fragmentov, določeno s Coulombovo interakcijo med njimi, štejemo za enako nič.

Vzemimo začetno fazo cepitve, ko jedro z naraščajočim r dobiva obliko vse bolj podolgovatega vrtilnega elipsoida. Na tej stopnji delitve je r merilo odstopanja jedra od sferične oblike (slika 3). Zaradi evolucije oblike jedra je sprememba njegove potencialne energije določena s spremembo vsote površinske in Coulombove energije E" n + E" k. Predpostavlja se, da prostornina jedra ostane nespremenjena med procesom deformacije. V tem primeru se površinska energija E"n poveča, ko se poveča površina jedra. Coulombova energija E"k se zmanjša, ko se poveča povprečna razdalja med nukleoni. Naj sferično jedro zaradi rahle deformacije, za katero je značilen majhen parameter, dobi obliko osno simetričnega elipsoida. Lahko se pokaže, da se površinska energija E" n in Coulombova energija E" k spreminjata na naslednji način:

Pri majhnih elipsoidnih deformacijah pride do povečanja površinske energije hitreje kot zmanjšanja Coulombove energije. V območju težkih jeder 2E n > E k vsota površinske in Coulombove energije narašča z naraščanjem . Iz (f.4) in (f.5) sledi, da pri majhnih elipsoidnih deformacijah povečanje površinske energije prepreči nadaljnje spreminjanje oblike jedra in posledično cepitev. Izraz (f.5) velja za majhne vrednosti (majhne deformacije). Če je deformacija tako velika, da jedro dobi obliko ročice, potem sile površinske napetosti, kot so Coulombove sile, težijo k ločitvi jedra in dajejo drobcem sferično obliko. Na tej stopnji cepitve povečanje napetosti spremlja zmanjšanje tako Coulombove kot površinske energije. Tisti. s postopnim povečevanjem deformacije jedra njegova potencialna energija prehaja skozi maksimum. Zdaj ima r pomen razdalje med središči bodočih fragmentov. Ko se fragmenti oddaljujejo drug od drugega, se bo potencialna energija njihove interakcije zmanjšala, saj se Coulombova odbojna energija E k zmanjša.Odvisnost potencialne energije od razdalje med fragmenti je prikazana na sl. 4. Ničelna raven potencialne energije ustreza vsoti površinske in Coulombove energije dveh neinteragirajočih fragmentov. Prisotnost potencialne pregrade preprečuje takojšnjo spontano cepitev jeder. Da bi se jedro takoj razcepilo, mora prenesti energijo Q, ki presega višino pregrade H. Največja potencialna energija cepljivega jedra je približno enaka e 2 Z 2 /(R 1 + R 2), kjer sta R1 in R2 polmera fragmentov. Na primer, ko je zlato jedro razdeljeno na dva enaka fragmenta, je e 2 Z 2 /(R 1 + R 2) = 173 MeV in količina energije E, ki se sprosti med cepitvijo ( glej formulo (f.2)), enako 132 MeV. Tako je med cepitvijo zlatega jedra potrebno premagati potencialno pregrado z višino približno 40 MeV. Višja kot je višina pregrade H, nižje je razmerje med Coulombovo in površinsko energijo E proti /E p v začetnem jedru. To razmerje pa se povečuje z naraščanjem parametra deljivosti Z 2 /A ( glej (f.4)). Težje kot je jedro, nižja je višina pregrade H , ker se parameter cepljivosti povečuje z naraščajočim masnim številom:

Tisti. Po kapljičnem modelu v naravi ne bi smelo biti jeder z Z 2 /A > 49, saj se spontano cepijo skoraj v trenutku (v značilnem jedrskem času reda 10 -22 s). Obstoj atomskih jeder z Z 2 /A > 49 (»otok stabilnosti«) je razložen s strukturo lupine. Odvisnost oblike, višine potencialne pregrade H in cepitvene energije E od vrednosti cepitvenega parametra Z 2 /A je prikazana na sl. 5.

Spontana cepitev jeder z 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 let za 232 Th do 0,3 s za 260 Ku. Prisilna cepitev jeder z 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.

Energija E, ki se sprosti med cepitvijo, narašča z naraščanjem Z 2 /A. Vrednost Z 2 /A = 17 za 89 Y (itrij). Tisti. cepitev je energijsko ugodna za vsa jedra, težja od itrija. Zakaj je večina jeder odpornih na spontano cepitev? Za odgovor na to vprašanje je treba upoštevati mehanizem delitve.

Med procesom cepitve se oblika jedra spremeni. Jedro zaporedno prehaja skozi naslednje stopnje (slika 7.1): krogla, elipsoid, bučica, dva hruškasta fragmenta, dva sferična fragmenta. Kako se spreminja potencialna energija jedra na različnih stopnjah cepitve?
Začetno jedro s povečavo r dobiva obliko vedno bolj podolgovatega elipsoida vrtenja. V tem primeru je zaradi evolucije oblike jedra sprememba njegove potencialne energije določena s spremembo vsote površinske in Coulombove energije E p + E k.V tem primeru se površinska energija poveča kot površina jedra se poveča. Coulombova energija se zmanjšuje, ko se povprečna razdalja med protoni povečuje. Če je pri rahli deformaciji, za katero je značilen majhen parameter, prvotno jedro prevzelo obliko osno simetričnega elipsoida, se površinska energija E" p in Coulombova energija E" k kot funkciji deformacijskega parametra spremenita na naslednji način:

V razmerjih (7,4–7,5) E n in E k sta površinska in Coulombova energija začetnega sferično simetričnega jedra.
V območju težkih jeder 2E p > E k in vsota površinske in Coulombove energije narašča z naraščanjem . Iz (7.4) in (7.5) sledi, da pri majhnih deformacijah povečanje površinske energije prepreči nadaljnje spreminjanje oblike jedra in posledično cepitev.
Za majhne deformacije velja razmerje (7.5). Če je deformacija tako velika, da jedro dobi obliko ročice, potem površinske in Coulombove sile težijo k ločitvi jedra in dajejo drobcem sferično obliko. Tako s postopnim povečevanjem deformacije jedra njegova potencialna energija prehaja skozi maksimum. Graf sprememb površinske in Coulombove energije jedra v odvisnosti od r je prikazan na sl. 7.2.

Prisotnost potencialne pregrade preprečuje takojšnjo spontano cepitev jeder. Da bi se jedro razcepilo, mora prenesti energijo Q, ki presega višino cepitvene pregrade H. Največja potencialna energija cepitvenega jedra E + H (na primer zlata) na dva enaka fragmenta je ≈ 173 MeV, in količina energije E, ki se sprosti med cepitvijo, je 132 MeV. Tako je pri cepitvi zlatega jedra potrebno premagati potencialno pregrado z višino približno 40 MeV.
Višina cepitvene pregrade H je tem večja, čim nižje je razmerje med Coulombovo in površinsko energijo E proti /E p v začetnem jedru. To razmerje pa se povečuje z naraščanjem delilnega parametra Z 2 /A (7.3). Težje ko je jedro, nižja je višina cepitvene pregrade H, saj cepitveni parameter ob predpostavki, da je Z sorazmeren z A, narašča z naraščajočim masnim številom:

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

(7.6)

Zato morajo težja jedra na splošno prenesti manj energije, da povzročijo jedrsko cepitev.
Višina cepitvene pregrade izgine pri 2E p – E k = 0 (7,5). V tem primeru

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

Z 2 /A = 2a 2 /(a 3 Z 2) ≈ 49.

Tako po kapljičnem modelu jedra z Z 2 /A > 49 v naravi ne morejo obstajati, saj se morajo skoraj v trenutku, v značilnem jedrskem času reda 10–22 s, spontano razdeliti na dva fragmenta. Odvisnosti oblike in višine potencialne pregrade H ter cepitvene energije od vrednosti parametra Z 2 /A so prikazane na sl. 7.3.

riž. 7.3. Radialna odvisnost oblike in višine potencialne pregrade in cepitvene energije E pri različnih vrednostih parametra Z 2 /A. Vklopljeno navpična os vrednost E p + E k je narisana.

Spontana cepitev jeder z 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 let za 232 Th do 0,3 s za 260 Rf.
Prisilna cepitev jeder z 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.
Najmanjša vrednost vzbujalne energije sestavljenega jedra E*, ki nastane pri zajemu nevtronov, je enaka vezavni energiji nevtronov v tem jedru ε n. Tabela 7.1 primerja višino pregrade H in vezavno energijo nevtronov ε n za izotope Th, U in Pu, ki nastanejo po zajetju nevtronov. Energija vezave nevtrona je odvisna od števila nevtronov v jedru. Zaradi energije parjenja je vezavna energija sodega nevtrona večja od vezavne energije lihega nevtrona.

Tabela 7.1

Višina cepitvene pregrade H, vezavna energija nevtronov ε n

Izotop	Višina cepitvene pregrade H, MeV	Izotop	Energija vezave nevtronov ε n
232 Th	5.9	233 Th	4.79
233 U	5.5	234U	6.84
235U	5.75	236 U	6.55
238U	5.85	239U	4.80
239 Pu	5.5	240 Pu	6.53

Značilnost cepitve je, da imajo fragmenti praviloma različne mase. V primeru najverjetnejše cepitve 235 U je masno razmerje drobcev v povprečju ~ 1,5. Masna porazdelitev drobcev iz cepitve 235 U s toplotnimi nevtroni je prikazana na sl. 7.4. Za najverjetnejšo cepitev ima težki fragment masno število 139, lahek - 95. Med cepitvenimi produkti so fragmenti z A = 72 - 161 in Z = 30 - 65. Verjetnost cepitve na dva fragmenta enaka masa ni nič. Pri cepitvi 235 U s toplotnimi nevtroni je verjetnost simetrične cepitve približno tri velikostne rede manjša kot v primeru najverjetnejše cepitve na fragmente z A = 139 in 95.
Asimetrična delitev je razložena s strukturo lupine jedra. Jedro teži k cepljenju na tak način, da glavnina nukleonov vsakega fragmenta tvori najstabilnejše čarobno okostje.
Razmerje med številom nevtronov in številom protonov v jedru 235 U N/Z = 1,55, medtem ko je za stabilne izotope z masnim številom blizu masnega števila fragmentov to razmerje 1,25 − 1,45. Posledično se izkaže, da so fisijski fragmenti močno preobremenjeni z nevtroni in jih je treba
β - radioaktivno. Zato cepitveni delci doživijo zaporedne β-razpade, naboj primarnega fragmenta pa se lahko spremeni za 4 − 6 enot. Spodaj je značilna veriga radioaktivnih razpadov 97 Kr, enega od fragmentov, ki nastanejo med cepitvijo 235 U:

Vzbujanje fragmentov, ki ga povzroča kršitev razmerja števila protonov in nevtronov, značilnega za stabilna jedra, se odstrani tudi zaradi emisije hitrih fisijskih nevtronov. Te nevtrone oddajajo premikajoči se fragmenti v času, krajšem od ~ 10 -14 s. V povprečju se v vsakem dogodku cepitve oddajo 2–3 hitri nevtroni. Njihov energijski spekter je zvezen z največ okoli 1 MeV. Povprečna energija hitrega nevtrona je blizu 2 MeV. Emisija več kot enega nevtrona v vsakem dogodku cepitve omogoča pridobivanje energije z verižno reakcijo jedrske cepitve.
Pri najverjetnejši cepitvi 235 U s toplotnimi nevtroni pridobi lahek fragment (A = 95) kinetično energijo ≈ 100 MeV, težak fragment (A = 139) pa pridobi kinetično energijo okoli 67 MeV. Tako je skupna kinetična energija drobcev ≈ 167 MeV. Celotna cepitvena energija je v tem primeru 200 MeV. Tako se preostala energija (33 MeV) porazdeli med druge cepitvene produkte (nevtrone, elektrone in antinevtrine iz β-razpadnih fragmentov, γ-sevanje drobcev in njihovih razpadnih produktov). Porazdelitev cepitvene energije med različnimi produkti med cepitvijo 235 U s toplotnimi nevtroni je podana v tabeli 7.2.

Tabela 7.2

Porazdelitev energije fisije 235 U toplotni nevtroni

Produkti jedrske cepitve (NFP) so kompleksna mešanica več kot 200 radioaktivnih izotopov 36 elementov (od cinka do gadolinija). Večino aktivnosti povzročajo kratkoživi radionuklidi. Tako se 7, 49 in 343 dni po eksploziji aktivnost PYD zmanjša za 10, 100 oziroma 1000-krat v primerjavi z aktivnostjo eno uro po eksploziji. Izkoristek biološko najbolj pomembnih radionuklidov je podan v tabeli 7.3. Poleg PYN radioaktivno onesnaženje povzročajo radionuklidi induciranega delovanja (3 H, 14 C, 28 Al, 24 Na, 56 Mn, 59 Fe, 60 Co itd.) ter nerazdeljeni del urana in plutonija. Vloga inducirane aktivnosti med termonuklearnimi eksplozijami je še posebej velika.

Tabela 7.3

Sprostitev nekaterih produktov cepitve zaradi jedrske eksplozije

Radionuklid	Polovično življenje	Izhod na delitev, %	aktivnost na 1 Mt, 10 15 Bq
89 Sr	50,5 dni.	2.56	590
90 Sr	29,12 let	3.5	3.9
95 Zr	65 dni	5.07	920
103 Ru	41 dni	5.2	1500
106 Ru	365 dni	2.44	78
131 I	8,05 dni	2.9	4200
136 Cs	13,2 dni	0.036	32
137 Cs	30 let	5.57	5.9
140 Ba	12,8 dni	5.18	4700
141 Cs	32,5 dni.	4.58	1600
144 Cs	288 dni	4.69	190
3 H	12,3 leta	0.01	2,6·10 -2

Med jedrskimi eksplozijami v ozračju znaten del padavin (do 50% pri zemeljskih eksplozijah) pade v bližini testnega območja. Nekatere radioaktivne snovi se zadržujejo v spodnjem delu atmosfere in se pod vplivom vetra premikajo na velike razdalje, pri čemer ostajajo na približno isti zemljepisni širini. Če ostanejo v zraku približno mesec dni, radioaktivne snovi med tem gibanjem postopoma padajo na Zemljo. Večina radionuklidov se izpusti v stratosfero (do višine 10–15 km), kjer se globalno razpršijo in v veliki meri razpadejo.
Različni strukturni elementi jedrskih reaktorjev so že desetletja zelo aktivni (tabela 7.4)

Tabela 7.4

Vrednosti specifične aktivnosti (Bq/t urana) glavnih produktov cepitve v gorivnih elementih, odstranjenih iz reaktorja po treh letih delovanja

Radionuklid	0	1 dan	120 dni	1 leto		10 let
85 kr	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 Sr	4. 04· 10 16	3. 98· 10 16	5. 78· 10 15	2. 7· 10 14	1. 2· 10 10
90 Sr	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 Zr	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 Ru	7. 08· 10 16	6. 95· 10 16	8. 55· 10 15	1. 14· 10 14	2. 97· 10 8
106 Ru	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 I	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 Ba	7. 93· 10 16	7. 51· 10 16	1. 19· 10 14	2. 03· 10 8
140 La	8. 19· 10 16	8. 05· 10 16	1. 37· 10 14	2. 34· 10 8
141 Ce	7. 36· 10 16	7. 25· 10 16	5. 73· 10 15	3. 08· 10 13	5. 33· 10 6
144 Ce	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 zvečer	6. 77· 10 16	6. 70· 10 16	1. 65· 10 14	6. 11· 10 8
147 zvečer	7. 05·10 15	7. 05· 10 15	6. 78· 10 15	5. 68· 10 15	3. 35· 10 14

Reakcije jedrske cepitve.

Preoblikovanje jeder pri interakciji z osnovnimi delci ali med seboj imenujemo jedrske reakcije. Jedrske reakcije so glavna metoda za preučevanje strukture jeder in njihovih lastnosti. Jedrske reakcije sledijo ohranitvenim zakonom: električni naboj, barionski naboj, leptonski naboj, energija, gibalna količina itd. Na primer, zakon o ohranitvi barionskega naboja se zmanjša na dejstvo, da se skupno število nukleonov ne spremeni zaradi jedrske reakcije.

Do jedrskih reakcij lahko pride s sproščanjem ali absorpcijo energije Q, kar je 10 6-krat večje od energije kemijskih reakcij. če Q> 0 se sprosti energija (eksotermna reakcija). na primer

pri Q < 0 – поглощение энергии (endotermna reakcija). na primer

Opisane so jedrske reakcije učinkovit reakcijski presek(če je polmer jedra večji od de Brogliejeve valovne dolžine delca).

Izhod jedrske reakcije W– razmerje števila dogodkov jedrske reakcije D n na število delcev n, padajoče tarče 1 cm 2, tj.

,

Kje n– koncentracija jeder.

Številne jedrske reakcije pri nizkih energijah gredo skozi fazo nastajanja sestavljeno jedro. Torej, da nevtron preleti jedro s hitrostjo 10 7 m/s, je potreben čas reda velikosti t = 10 –22 s. Reakcijski čas je 10 - 16 –10 - 12 s ali (10 6 –10 10)t. To pomeni, da bo med nukleoni v jedru velika številka trkov in nastane vmesno stanje – sestavljeno jedro. Značilen čas t se uporablja pri analizi procesov, ki potekajo v jedru.

Ko se hitrost nevtrona zmanjša, se poveča čas njegove interakcije z jedrom in verjetnost, da ga jedro zajame, saj je efektivni presek obratno sorazmeren s hitrostjo delcev (). Če skupna energija nevtrona in začetnega jedra leži v območju, kjer se nahajajo energijski pasovi sestavljenega jedra, potem je verjetnost nastanka kvazistacionarnega energijskega nivoja sestavljenega jedra še posebej velika. Prerez za jedrske reakcije pri takšnih energijah delcev se močno poveča in tvori resonančne maksimume. V takih primerih se imenujejo jedrske reakcije resonančno. Resonančni prerez za termični (počasni) zajem nevtronov ( kT» 0,025 eV) je lahko ~10 6-krat večji od geometrijskega preseka jedra

Po zajemu delca je sestavljeno jedro v vzbujenem stanju ~10 - 14 s, nato pa odda delec. Možnih je več kanalov radioaktivnega razpada sestavljenega jedra. Možen je tudi konkurenčen proces - radiacijski zajem, ko delec, potem ko ga zajame jedro, preide v vzbujeno stanje, nato pa, ko odda g-kvant, preide v osnovno stanje. To lahko tvori tudi sestavljeno jedro.

Coulombove odbojne sile med pozitivno nabitimi delci jedra (protoni) ne pospešujejo, temveč ovirajo izhod teh delcev iz jedra. To je posledica vpliva centrifugalna pregrada. To je razloženo z dejstvom, da odbojne sile ustrezajo pozitivni energiji. Poveča višino in širino Coulombove potencialne pregrade. Izhod pozitivno nabitega delca iz jedra je podbarierni postopek. Višja in širša kot je potencialna ovira, manjša je verjetnost. To je še posebej pomembno za srednja in težka jedra.

Na primer, jedro izotopa urana, ko zajame nevtron, tvori sestavljeno jedro, ki se nato razdeli na dva dela. Pod vplivom Coulombovih odbojnih sil ti deli razletijo z visoko kinetično energijo ~200 MeV, saj v tem primeru električne sile presegajo jedrske sile privlačnosti. V tem primeru so fragmenti radioaktivni in so v vznemirjenem stanju. Ko preidejo v osnovno stanje, oddajajo hitre in zapoznele nevtrone, pa tudi g-kvante in druge delce. Oddane nevtrone imenujemo sekundarni.

Od vseh jeder, ki se sprostijo med cepitvijo, se ~99% nevtronov sprosti v trenutku, delež zakasnjenih nevtronov pa znaša ~0,75%. Kljub temu se zapozneli nevtroni uporabljajo v jedrski energiji, saj omogočajo nadzorovane jedrske reakcije. Najverjetneje se bo uran razcepil na drobce, od katerih je eden približno en in pol krat težji od drugega. To je razloženo z vplivom jedrskih nevtronskih lupin, saj je energijsko ugodneje, da se jedro razcepi tako, da je število nevtronov v posameznem fragmentu blizu enega od magičnih števil - 50 ali 82. Takšni fragmenti so lahko za na primer jedra in.

Razlika med največja vrednost potencialna energija E r(r) in njegovo vrednost pri za stabilna jedra imenujemo aktivacijska energija. Zato je za jedrsko fisijo potrebno prenesti energijo, ki ni manjša od aktivacijske energije. To energijo prinašajo nevtroni, ob absorpciji katerih nastanejo vzbujena sestavljena jedra.

Raziskave so pokazale, da se izotopska jedra cepijo, potem ko zajamejo vse nevtrone, vključno s toplotnimi. Za cepitev izotopa urana so potrebni hitri nevtroni z energijo nad 1 MeV. Ta razlika v obnašanju jeder je povezana z učinkom združevanja nukleonov.

Spontana cepitev radioaktivnih jeder je možna tudi v odsotnosti zunanjega vzbujanja, kar so opazili leta 1940. V tem primeru lahko pride do jedrske cepitve z uhajanjem cepitvenih produktov skozi potencialno pregrado kot posledica tunelskega učinka. Še ena značilna lastnost jedrske reakcije, ki potekajo skozi sestavljeno jedro pod določenimi pogoji, je simetrija v sistemu središča mase kotne porazdelitve razpršenih delcev, ki nastanejo med razpadom sestavljenega jedra.

Možne so tudi neposredne jedrske reakcije, npr.

ki se uporablja za proizvodnjo nevtronov.

Pri cepitvi težkih jeder se sprosti povprečna energija ~200 MeV za vsako cepljivo jedro, kar imenujemo jedrska ali atomska energija. Ta energija se proizvaja v jedrskih reaktorjih.

Naravni uran vsebuje 99,3 % izotopa in 0,7 % izotopa, ki je jedrsko gorivo. Izotopi urana in torija so surovine, iz katerega umetno pridobivajo izotope in izotope, ki so tudi jedrsko gorivo in v naravno stanje jih v naravi ne najdemo. Pri reakciji dobimo na primer izotop plutonija

Pri reakciji dobimo na primer izotop urana

Kje pomeni reakcijo

.
Jedrske izotope cepijo samo hitri nevtroni z energijami > 1 MeV.

Pomembna količina, ki označuje cepljivo jedro, je povprečno število sekundarnih nevtronov, ki za izvedba verižne reakcije jedrske fisije Atomsko jedro mora biti vsaj 1. Pri takih reakcijah atomskih jeder nastajajo nevtroni.

Verižna reakcija se praktično izvaja na obogatenem uranu v jedrski reaktorji. V obogatenem uranu se vsebnost izotopa urana z ločevanjem izotopov poveča na 2-5 %. Prostornina, ki jo zavzema cepljiva snov, se imenuje jedro reaktor. Za naravni uran je množilni faktor toplotnih nevtronov k=1,32. Za zmanjšanje hitrosti hitrih nevtronov na hitrost toplotnih se uporabljajo moderatorji (grafit, voda, berilij itd.).

obstajati različne vrste jedrskih reaktorjev glede na njihov namen in moč. Na primer eksperimentalni reaktorji za proizvodnjo novih transuranovih elementov itd.

Trenutno se uporablja jedrska energija razmnoževalni reaktorji (razmnoževalni reaktorji), v katerem ne pride le do proizvodnje energije, temveč tudi do razširjene reprodukcije cepljive snovi. Uporabljajo obogatenega urana z zadostno visoka vsebnost(do 30 %) uranov izotop.

Takšni reaktorji so rejci uporabljajo za pridobivanje energije v jedrskih elektrarnah. Glavna pomanjkljivost jedrskih elektrarn je kopičenje radioaktivnih odpadkov. Jedrske elektrarne pa so v primerjavi s elektrarnami na premog okolju prijaznejše.

Jedrska cepitev je cepitev težkega atoma na dva fragmenta približno enake mase, ki jo spremlja sprostitev velika količina energija.

Začelo se je odkritje jedrske cepitve novo obdobje- "atomska doba". Potencial njegove možne uporabe in razmerje med tveganjem in koristmi njene uporabe ni le povzročilo številnih socioloških, političnih, ekonomskih in znanstveni dosežki, ampak tudi resne težave. Tudi s čistimi znanstvena točka Z našega vidika je proces jedrske cepitve povzročil veliko ugank in zapletov, njegova popolna teoretična razlaga pa je stvar prihodnosti.

Deljenje je donosno

Energije vezave (na nukleon) se razlikujejo za različna jedra. Težji imajo manjšo vezavno energijo od tistih, ki se nahajajo na sredini periodnega sistema.

To pomeni, da imajo težka jedra z atomskim številom, večjim od 100, korist od razdelitve na dva manjša fragmenta, pri čemer se sprosti energija, ki se pretvori v kinetično energijo fragmentov. Ta proces se imenuje cepitev

Glede na krivuljo stabilnosti, ki prikazuje odvisnost števila protonov od števila nevtronov za stabilne nuklide, imajo prednost težja jedra večje število nevtronov (v primerjavi s številom protonov) kot lažjih. To nakazuje, da bo nekaj "rezervnih" nevtronov oddanih skupaj s procesom cepitve. Poleg tega bodo tudi absorbirali del sproščene energije. Študija cepitve jedra atoma urana je pokazala, da se sprostijo 3-4 nevtroni: 238 U → 145 La + 90 Br + 3n.

Atomsko število (in atomska masa) fragmenta ni enako polovici atomska masa starš. Razlika med masami atomov, ki nastanejo kot posledica cepitve, je običajno okoli 50. Vendar razlog za to še ni povsem jasen.

Energije vezave 238 U, 145 La in 90 Br so 1803, 1198 in 763 MeV. To pomeni, da se zaradi te reakcije sprosti energija cepitve uranovega jedra, ki je enaka 1198 + 763-1803 = 158 MeV.

Spontana cepitev

Procesi spontane cepitve so v naravi znani, vendar so zelo redki. Povprečna življenjska doba tega procesa je približno 10 17 let, povprečna življenjska doba alfa razpada istega radionuklida pa je na primer približno 10 11 let.

Razlog za to je, da se mora jedro, da se razcepi na dva dela, najprej deformirati (raztegniti) v elipsoidno obliko, nato pa, preden se končno razcepi na dva fragmenta, na sredini oblikovati "vrat".

Potencialna ovira

V deformiranem stanju na jedro delujeta dve sili. Ena je povečana površinska energija (površinska napetost kapljice tekočine pojasnjuje njeno sferično obliko), druga pa je Coulombov odboj med cepitvenimi fragmenti. Skupaj tvorijo potencialno oviro.

Kot v primeru alfa razpada, morajo za spontano cepitev jedra atoma urana fragmenti premagati to oviro s kvantnim tuneliranjem. Vrednost pregrade je približno 6 MeV, kot v primeru razpada alfa, vendar je verjetnost tuneliranja delcev alfa veliko večja kot pri veliko težjem produktu atomske cepitve.

Prisilna delitev

Veliko verjetnejša je inducirana cepitev uranovega jedra. V tem primeru je matično jedro obsevano z nevtroni. Če ga starš absorbira, se povežeta in sprostita vezno energijo v obliki vibracijska energija, ki lahko preseže 6 MeV, potrebnih za premagovanje potencialne ovire.

Kadar energija dodatnega nevtrona ne zadošča za premagovanje potencialne ovire, mora imeti vpadni nevtron minimalno kinetično energijo, da lahko povzroči cepitev atoma. V primeru 238 U manjka vezavna energija dodatnih nevtronov za približno 1 MeV. To pomeni, da cepitev uranovega jedra povzroči samo nevtron s kinetično energijo večjo od 1 MeV. Po drugi strani pa ima izotop 235 U en nesparjen nevtron. Ko jedro absorbira dodatno, se z njim združi in to združevanje povzroči dodatno vezavno energijo. To je dovolj, da se sprosti količina energije, ki je potrebna, da jedro premaga potencialno oviro in pride do cepitve izotopa ob trku s katerim koli nevtronom.

Beta razpad

Čeprav cepitvena reakcija proizvede tri ali štiri nevtrone, fragmenti še vedno vsebujejo več nevtronov kot njihove stabilne izobare. To pomeni, da so fragmenti cepitve ponavadi nestabilni za beta razpad.

Na primer, ko pride do cepitve uranovega jedra 238 U, je stabilna izobara z A = 145 neodim 145 Nd, kar pomeni, da fragment lantana 145 La razpade v treh stopnjah, pri čemer vsakič oddaja elektron in antinevtrino, dokler nastane stabilen nuklid. Stabilna izobara z A = 90 je cirkonij 90 Zr, zato cepitveni fragment broma 90 Br razpade v petih stopnjah verige β-razpada.

Te verige β-razpada sproščajo dodatno energijo, ki jo skoraj vso odnesejo elektroni in antinevtrini.

Jedrske reakcije: cepitev uranovih jeder

Neposredna emisija nevtronov iz nuklida s preveč nevtroni, da bi zagotovila jedrsko stabilnost, je malo verjetna. Bistvo tukaj je, da ni Coulombovega odboja, zato površinska energija ohranja nevtron vezan na matično snov. Vendar se to včasih zgodi. Na primer, cepitveni fragment 90 Br v prvi fazi beta razpada proizvede kripton-90, ki je lahko v vzbujenem stanju z dovolj energije, da premaga površinsko energijo. V tem primeru lahko pride do emisije nevtronov neposredno s tvorbo kriptona-89. je še vedno nestabilen za razpad β, dokler ne postane stabilen itrij-89, tako da kripton-89 razpade v treh korakih.

Cepitev uranovih jeder: verižna reakcija

Nevtrone, oddane v reakciji cepitve, lahko absorbira drugo starševsko jedro, ki je nato samo podvrženo inducirani cepitvi. V primeru urana-238 pridejo trije proizvedeni nevtroni z energijo, manjšo od 1 MeV (energija, ki se sprosti med cepitvijo uranovega jedra - 158 MeV - se v glavnem pretvori v kinetično energijo fisijskih drobcev). ), tako da ne morejo povzročiti nadaljnje cepitve tega nuklida. Vendar pa lahko pri znatni koncentraciji redkega izotopa 235 U te proste nevtrone ujamejo jedra 235 U, kar lahko dejansko povzroči cepitev, saj v tem primeru ni energijskega praga, pod katerim cepitev ne bi bila inducirana.

To je princip verižne reakcije.

Vrste jedrskih reakcij

Naj bo k število nevtronov, proizvedenih v vzorcu cepljivega materiala na stopnji n te verige, deljeno s številom nevtronov, proizvedenih na stopnji n - 1. To število bo odvisno od tega, koliko nevtronov, proizvedenih na stopnji n - 1, se absorbira. z jedrom, ki se lahko prisilno deli.

Če k< 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.

Če je k > 1, bo verižna reakcija naraščala, dokler ne bo porabljen ves cepljivi material, kar dosežemo z obogatitvijo naravne rude, da dobimo dovolj veliko koncentracijo urana-235. Pri sferičnem vzorcu vrednost k narašča z večanjem verjetnosti absorpcije nevtronov, ki je odvisna od polmera krogle. Zato mora masa U preseči določeno količino, da lahko pride do cepitve uranovih jeder (verižna reakcija).

Če je k = 1, potem poteka nadzorovana reakcija. To se uporablja v jedrskih reaktorjih. Proces je nadzorovan z razporeditvijo kadmijevih ali borovih palic med uranom, ki absorbirajo večino nevtronov (ti elementi imajo sposobnost zajemanja nevtronov). Cepitev uranovega jedra se samodejno krmili s premikanjem palic, tako da vrednost k ostane enaka enoti.