МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования
Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»
Факультет Управления и экономики высоких технологий
Институт международных отношений
Реферат на тему:
«Ядерные превращения. Деление ядер»
Выполнила: студентка У4-02 Галуева Д.О.
Научный руководитель: Самедов В.В
Москва
2011г
Содержание
Содержание. - 2 -
Введение. Ошибка! Закладка не определена.
Ядерные превращения. - 3 -
Радиоактивность. - 6 -
История открытия. - 9 -
Деление ядер. - 11 -
Механизм деления. - 13 -
Описание на основе капельной модели. - 15 -
Оболочечные поправки. Двугорбый барьер деления. - 18 -
Стадии процесса деления. - 23 -
Энергия деления. - 25 -
Продукты деления. - 27 -
Применение. - 29 -
Заключение. - 31 -
Список литературы.. - 32 -
Введение
В 1932 году был открыт нейтрон. Прошло 7 лет, прежде чем было обнаружено деление ядер. Деление ядер – поистине поразительное явление: оно сопровождается сильной радиоактивностью, а полная ионизация от осколков деления превосходит в десятки раз ионизацию от ранее известных процессов. За прошедшие после открытия этого явления десятки лет ядерные реакции проникли практически во все сферы деятельности человека. Ядерные реакции используются в энергетике, военной сфере, при синтезе новых элементов, в медицине и, конечно же, в ходе научных исследований. Но, несмотря на столь широкое применение, не весь потенциал ядерных превращений уже изучен, еще остается много неизведанного. Например, не приведен в жизнь еще метод термоядерного синтеза.
Широкая сфера применения ядерных превращений заинтересовала меня, побудив выбрать эту тему для доклада.
В своем реферате я рассмотрела основные виды ядерных превращений, историю их открытия, особенности протекания некоторых реакций, основные сферы применения деления ядер и остальных видов превращений.
Ядерные превращения
Изменения, происходящие в ядрах, можно разбить на три группы:
изменение одного из нуклонов в ядре;
перестройка внутренней структуры ядра;
перегруппировка нуклонов из одних ядер в другие.
К первой группе относятся различные виды β-распада, когда один из нейтронов ядра превращается в протон или наоборот. Первый (более частый) вид β-распада происходит с испусканием электрона и электронного антинейтрино. Второй вид β-распада происходит или путем испускания позитрона и электронного нейтрино, или путем захвата электрона и испускания электронного нейтрино (захват электрона происходит с одной из ближайших к ядру электронных оболочек). Заметим, что в свободном состоянии протон не может распасться на нейтрон, позитрон и электронное нейтрино – для этого необходима дополнительная энергия, которую он получает у ядра. Общая энергия ядра, тем не менее, понижается при превращении протона в нейтрон в процессе β-распада. Это происходит за счет снижения энергии кулоновского отталкивания между протонами ядра (которых становится меньше). Ко второй группе следует отнести γ-распад, при котором ядро, первоначально находившееся в возбужденном состоянии, сбрасывает излишек энергии, излучая гамма-квант. К третьей группе относятся α-распад (испускание исходным ядром α-частицы – ядра атома гелия, состоящего из двух протонов и двух нейтронов), деление ядра (поглощение ядром нейтрона с последующим распадом на два более легких ядра и испускание нескольких нейтронов) и синтез ядра (когда в результате столкновения двух легких ядер образуется более тяжелое ядро и, возможно, остаются легкие осколки или отдельные протоны или нейтроны).
! При α-распаде ядро испытывает отдачу и заметно смещается в сторону, противоположную направлению вылета α-частицы. В то же время отдача при β-распаде гораздо меньше. Это вызвано тем, что масса электрона в тысячи (и даже в сотни тысяч раз – для тяжелых атомов) меньше, нежели масса ядра.!
Рассмотрим, к каким метаморфозам ядер приводят три вида радиоактивности, открытые в начале XX в.:
1 При -распаде (испускании ядра гелия, состоящего из двух протонов и двух нейтронов) из ядра с исходными Z и A получается ядро с Z-2 и А-4.
2 При -распаде (испускании электрона) один из нейтронов превращается в протон, а ядро с Z и A - в ядро с Z+1 и тем же A.
3 И наконец, при испускании -кванта, т.е. энергичного фотона, ядро теряет часть энергии, сохраняя первоначальные Z и A.
Каждому элементу соответствует целый набор изотопов. Полное их число на сегодня превышает 2 тыс.
Итак, ядерные превращения возникают как вследствие процессов радиоактивного распада ядер, так и вследствие ядерных реакций, сопровождающихся делением или синтезом ядер.
Радиоактивность
Радиоактивностью называют самопроизвольное превращение одного химического элемента в изотоп другого элемента, сопровождающееся испусканием элементарных частиц или излучения.
К числу основных типов превращений относятся:
1) α -распад,
2) β- -распад,
3) β+ -распад, или электронный захват,
4) изомерный переход, при котором ядра переходят из возбужденного состояния с большим временем жизни (изомерные состояния) в менее возбужденное или в основное состояние,
5) спонтанное деление тяжелых ядер.
Радиоактивные вещества испускают три вида излучения:
· α-излучение — тяжелые положительно заряженные частицы, движущиеся со скоростью около 109 см/сек и поглощающиеся слоем алюминия в несколько микрон. Впоследствии методом спектрального анализа было показано, что этими частицами являются ядра гелия 24He.
· β-излучение — легкие, отрицательно заряженные частицы - электроны, движущиеся со скоростью, близкой к скорости света, и поглощаемые слоем алюминия толщиной в среднем 1 мм.
· γ-излучение — сильно проникающее излучение, не отклоняющееся ни в электрическом, ни в магнитном поле. Природа γ-излучения — жесткое электромагнитное излучение, имеющее еще более короткую длину волны, чем рентгеновское.
Радиоактивность, наблюдающаяся у изотопов, существующих в природных условиях, называется естественной
. Радиоактивность изотопов, полученных посредством ядерных реакций, называется искусственной
. Между искусственной и естественной радиоактивностью нет принципиального различия. Процесс радиоактивного превращения в обоих случаях подчиняется одинаковым законам.
Ядра, подверженные радиоактивным превращениям, называются радиоактивными (нестабильными)
, а не подверженные - стабильными
. Такое деление условно, так как, в сущности, все ядра могут самопроизвольно распадаться, но этот процесс в разных ядрах идет с различной скоростью.
Во многих случаях самопроизвольные превращения радионуклидов приводят к образованию новых радио-изомеров, образующих так называемые радиоактивные цепочки. В конечном счете, радиоактивные превращения заканчиваются стабильным нуклидом. Радиоактивные цепочки могут быть простыми (линейными)
и сложными (с ветвлениями)
. Доля превращения материнского радионуклида в дочерний характеризуется коэффициентом ветвления и выражается в процентах по отношению ко всем видам превращения данного ядра.
Все известные радиоактивные нуклиды объединены в изобарные цепочки, каждая из которых показывает все радиоактивные превращения ядер с данным массовым числом.
Массовые числа элементов в пределах каждого радиоактивного семейства или не меняются совсем, или изменяются на четыре единицы. При этом заряд следующего элемента либо повышается на единицу, либо понижается на две единицы. Эта закономерность, названная правилами смещения
, очевидно, объясняется тем, что радиоактивное превращение сопровождается либо испусканием β-частицы (электрона), в результате чего заряд ядра повышается на единицу, а массовое число остается неизменным, либо испусканием α-частицы, уносящей четыре массовые единицы и двойной заряд.
Закон радиоактивного превращения весьма прост. Для каждого радиоактивного ядра имеется определенная вероятность λ того, что оно испытывает превращение в единицу времени. Следовательно, если радиоактивное вещество содержит N атомов, то количество атомов dN, которое претерпит превращение за время dt, будет равно
dN = -λNdt
Вероятность распада λ входит в это уравнение в качестве коэффициента, который называется постоянной распада. Знак минус соответствует убыванию вещества в процессе распада. Закон изменения числа радиоактивных ядер со временем:
N = N0
exp(-λt),
где N0
– число атомов вещества до начала распада. Если в полученное уравнение подставить вместо времени t период полураспада T½, то можно найти связь постоянной распада λ с периодом полураспада T½. Действительно, так как N(T½) = N0
/2, то N0
exp(-λ T½) = N0
/2 и exp(-λ T½) = 1/2, откуда
Старейшей, до сих пор наиболее употребительной единицей радиоактивности является Кюри (Ки)
и ее дольные единицы: миллиКюри
(1 мКи=10-3 Ки) и микроКюри
(1 мкКи=10-6 Ки). По первоначальному определению кюри есть активность одного грамма изотопа радия 88226Ra. Однако для удобства измерений это определение в дальнейшем было заменено следующим:
1Ки = 3,700·1010 Бк,
где единица активности в системе СИ в 1Бк (Беккерель)
соответствует такой активности, при которой происходит один распад за 1 секунду.
Гамма-излучение ядер
Гамма кванты испускаются ядрами, образующимися после α-или β-распада в возбужденном состоянии. После α-распада обычно испускаются γ-лучи невысокой энергии (Eγ < 0,5 Мэв), так как α-распад, сопровождающийся образованием дочернего ядра в сильно возбужденном состоянии (W > 0,5 Мэв), затруднен малой прозрачностью барьера для α-частиц с пониженной энергией. Энергия γ-лучей испускаемых дочерним ядром после β-распада может быть больше и достигает 2—2,5 Мэв. Это связано с тем, что вероятности β-распада определяется более слабой функцией энергии, чем вероятность α-распада,
Испускание γ-лучей ядрами, возбужденными значительно выше энергии отделения частицы, бывает связано с запретом по четности и моменту количества движения для вылета нуклонов (или других частиц), который делает процесс испускания γ-лучей относительно более вероятным. Примером такого рода является испускание γ-лучей с энергией 17 Мэв в результате реакции , идущей под действием s-протонов.
В процессе испускания γ-кванта ядро переходит из возбужденного состояния в состояние с меньшей энергией (радиационный переход). Радиационный переход может быть однократным, когда ядро, испустив один квант, сразу переходит в основное состояние, или каскадным, когда снятие возбуждения происходит в результате последовательного испускания нескольких γ-квантов.
По своей физической природе γ-излучение представляет собой коротковолновое электромагнитное излучение ядерного происхождения. Обычно энергия ядерных квантов бывает заключена в пределах примерно от 10 кэв до 5 Мэв. Это соответствует интервалу длин волн 10-8 см ≥ λγ ≥ 10-11 см.
История открытия
В 1932 году был открыт нейтрон. Но прошло целых 7 лет, прежде чем было обнаружено деление ядер (Деление ядер – поистине поразительное явление: оно сопровождается сильной радиоактивностью, а полная ионизация от осколков деления превосходит в десятки раз ионизацию от ранее известных процессов).
В Европе было несколько лабораторий, занимавшихся ядерной физикой. В то время наука развивалась благодаря разрозненным усилиям отдельных ученых, каждый из которых работал только с одним или двумя студентами и ассистентами.
В Париже имелось несколько лабораторий из числа самых активных исследовательских учреждений в Европе. Здесь была открыта радиоактивность. В Париже работала Мария Кюри (1867 - 1934 гг.). В то время техника измерений – ионизационные камеры и электрометры – была совсем проста, та же, что и на рубеже 2х столетий. Этого было достаточно при измерении естественной радиоактивности элементов, но такое оборудование совершенно не отвечало требованиям, которые возникали при выполнении многих работ, посвященных делению ядер.
Вторым местом, представляющим интерес, был Кембридж. Эрнесту Резерфорду, который стоит за всеми исследованиями, выполненными в Кембридже, удалось расщепить в 1919 г. атомное ядро. С 1909 г. он с особым интересом занимался вопросами обнаружения и счета отдельных ядерных частиц.
Третья лаборатория находилась в Вене.
В Германии исследования по ядерной физике велись в нескольких местах. Группа Отто Гана и Лизе Мейтнер (это была одна из первых групп, где начали изучать радиоактивные элементы) к этому времени разделилась на 2 группы, проводившие независимые исследования.
Кроме того в Германии работал Ганс Гейгер. Еще до 1909 г. в дни, предшествовавшие открытию ядра, он работал у Резерфорда. В 1928 г., Гейгер вместе с В. Мюллером разработали счетчик для регистрации b-лучей.
В 1932 г., который с полным правом можно назвать «годом чудес», был открыт нейтрон, и Вернер Гейзенберг опубликовал свою знаменитую статью, в которой предполагалось, что ядра состоят из нейтронов и протонов. Кроме того, произошли 2 других важнейших события. В США Эрнест О. Лоуренс запустил первый циклотрон, а в Англии Кокрофт и Уолтон построили первый ускоритель протонов, которые были способны расщеплять ядра. Эти машины положили начало огромному скачку в развитии ядерной физики.
После открытия нейтронов интерес к ним заметно возрос, но никто не знал, что именно надо делать. Нейтроны, в конце концов, были вторичными продуктами расщепления ядер, число их было невелико. Выход нейтронов был мал, так как для облучения использовались элементы с естественной a–радиоактивностью.
Кроме того, одним из главных детекторов была камера Вильсона, с помощью которой удается обнаружить лишь незначительное число реакций, в которых участвует нейтрон.
Электронная методика счета тогда только развивалась. Основным поводом для ее развития послужили неверные результаты, полученные в Вене; оказалось, что их никто не смог подтвердить. Поэтому необходимость разработки электронных счетчиков и усилителей стала очевидной. Венские ученые сами начали вести работы в этом направлении, но без особого успеха.
Путь, который привел к созданию хороших счетчиков, был найден в Англии Чарльзом Вином-Вильямсом.
В 1934 г. Кюри и Жолио открыли искусственную радиоактивность. Они обнаружили, что алюминий, облучаемый a-частицами, излучает позитроны, но им никогда не приходило в голову, что здесь может играть какую-то роль процесс распада. Они наблюдали испускание позитронов только во время облучения мишени. Никому не пришла в голову мысль о том, что в результате ядерного расщепления может возникнуть нестабильное ядро, хотя о существовании нестабильных ядер было уже известно лет тридцать или более того. Итак, так как при изучении исследовались только a-частицы, не думали о нестабильных ядрах. Но к этому времени, в Риме у Ферми, который решил, что в ядерной физике есть еще важные и интересные направления исследований, уже были наготове некоторые экспериментальные установки. Он поставил эксперименты с целью понять, могут ли ядра становиться радиоактивными под действием нейтронов. Не прошло и 4х недель после открытия Кюри и Жолио, как Ферми опубликовал первые результаты, доказывавшие, что различные элементы становятся радиоактивными после их облучения нейтронами.
Спустя месяц он заявил, что при бомбардировке урана возникает некий новый тип радиоактивности, который, как ему кажется, должен быть связан с трансурановыми элементами. На основании теоретических соображений и экспериментальных данных тогда считали, что поглощение нейтронов тяжелыми элементами не может привести к их распаду. Поэтому все были уверены в том, что так должно быть и в случае с ураном.
Некоторое время спустя ученые Отто Ган и Лизе Мейтнер провели ряд исследований и обнаружили цепочки радиоактивных элементов, которые затем классифицировали. Были обнаружены три параллельные цепочки. Судя по образующимся продуктам распада, все вновь полученные элементы вели свое начало от 238U, возможно, что некоторые из них происходили от 235U. Большая длина цепочки казалась непонятной. Уран сам по себе не был b-радиоактивным. Другие элементы этой группы никогда не испытывают больше двух последовательных b-распадов, а здесь наблюдалось все 4 или 5.
Несколько позже, Ган и Штрассман обнаружили радиоактивные продукты, напоминавшие своим поведением актиний и отчасти радий.
Деление ядер
Делением называется реакция расщепления атомного ядра (обычно тяжелого) на две (иногда на три) примерно равные по массе части (осколки деления).
Тяжелые ядра (Z≥ 90) делятся как после слабого предварительного возбуждения атомного ядра, например, в результате облучения его нейтронами с энергией Tn ≈ 1 Мэв, а для некоторых ядер даже тепловыми нейтронами (вынужденное деление), так и без предварительного возбуждения, т. е. самопроизвольно (спонтанное деление).
Ядра с Z < 90 делятся только вынужденным способом (точнее говоря, они имеют слишком большой период полураспада спонтанного деления), причем энергия возбуждения, необходимая для деления, растет с уменьшением параметра деления Z2/A. Вынужденное деление происходит практически мгновенно (τ ≈ 10-14 сек). Период полураспада для спонтанного деления меняется для разных ядер в очень широких пределах (от 1018
лет до нескольких десятых долей секунды для далеких трансурановых элементов).
В процессе деления ядра освобождается энергия Q ≈ 200 Мэв, значительную часть которой (~170 Мэв) уносят осколки в форме кинетической энергии. Осколки, образующиеся при делении, сильно перегружены нейтронами, вследствие чего они дают начало β--радиоактивным цепочкам из продуктов деления, а также испускают мгновенные (2—3 на один акт деления 92
U) и запаздывающие (~ 1% мгновенных) нейтроны. В опытах по определению числа вторичных нейтронов, испускаемых в процессе вынужденного и спонтанного деления, было получено приближенное значение этого числа ν, равное (для обоих случаев) ν = 2,2 ± 0,3.
Мгновенные нейтроны испускаются движущимися осколками, запаздывающие - остановившимися продуктами деления поле предварительного β--распада. Спектр мгновенных нейтронов деления непрерывный, а запаздывающие нейтроны образуют несколько моноэнергетических групп.
Вынужденное деление слабо возбужденных ядер и спонтанное деление происходят не симметрично: отношение масс легкого и тяжелого осколков равно примерно 2/3 (двугорбая массовая кривая). При повышении энергии возбуждения деление постепенно симметризуется, и кривая распределения осколков по массам становится одногорбой.
Основные свойства процесса деления могут быть объяснены при помощи капельной модели ядра, которая позволяет вычислить Q, понять роль параметра деления и объяснить природу спонтанного деления.
Величина Q вычисляется как разность масс (энергий) исходного ядра и осколков, выраженных с помощью полуэмпирической формулы Вейцзеккера. Вычисление показывает, что деление энергетически выгодно (Q > 0) при Z2/A > 17 (т. е. при Z > 47), причем Q растет с ростом Z2
/A. Из более подробного анализа следует, что в процессе деформации, предшествующей делению, энергия ядра должна первоначально возрастать и только после этого убывать (энергетический барьер деления). Высота барьера деления убывает с ростом Z2
/A и при Z2
/A = 45÷49 становится равной нулю (Z ≈ 120). Вынужденное деление возможно только при предварительном возбуждении ядра на энергию, превышающую высоту барьера деления. Спонтанное деление происходит в механизме туннельного перехода. При Z ≈ 120 спонтанное деление должно происходить мгновенно (за ядерное время).
Обратим внимание на то, что в этом отличии энергетической выгодности и энергетической возможности процесса нет ничего удивительного. Так, например, α-распад тяжелых ядер периодической системы всегда энергетически выгоден, однако из-за кулоновского барьера он оказывается энергетически невозможным в классической физике. Существование α-распада удается объяснить только при помощи квантово-механического эффекта прохождения α-частиц через потенциальный барьер. При этом из-за малой прозрачности потенциального барьера время жизни ядра относительно α-распада оказывается очень большим.
Деление ядер может происходить многими путями. Всего при делении образуется около 80 радиоактивных различных ядер-осколков, которые в процессе β-распада преобразуются в другие ядра — продукты деления. В настоящее время хорошо изучено примерно 60 цепочек, в составе которых обнаружено около 200 продуктов деления. Таким образом, средняя длина цепочки составляет 3—4 звена. В процессе последовательных β-переходов заряд первичного осколка может изменяться на 4 — 6 единиц (возможно, и больше, так как трудно регистрировать начальные участки цепочек из-за очень малых периодов полураспада).
Учитывая, что в разных случаях цепочки превращений имеют различную длину, и что при делении образуются два осколка, можно оценить среднее число электронов и антинейтрино, испускающихся на один акт деления. Оно равно примерно шести. Кроме того, в процессе β-переходов осколков и продуктов деления должны испускаться γ-кванты, сопровождающие β-распад.
Периоды полураспада у различных продуктов деления очень сильно отличаются.
Механизм деления
Процесс деления может протекать только в том случае, когда потенциальная энергия начального состояния делящегося ядра превышает сумму масс осколков деления. Поскольку удельная энергия связи тяжёлых ядер уменьшается с увеличением их массы, это условие выполняется почти для всех ядер с массовым числом .
Однако, как показывает опыт, даже самые тяжёлые ядра делятся самопроизвольно с очень малой вероятностью. Это означает, что существует энергетический барьер (барьер деления), препятствующий делению. Для описания процесса деления ядер, включая вычисление барьера деления, используется несколько моделей, но ни одна из них не позволяет объяснить процесс полностью.
Взаимодействие, которое связывает нуклоны в ядре, определяется особыми, ядерными силами. Измерения показали, что хотя заряд ядра равен сумме зарядов входящих в него протонов, масса ядра несколько меньше суммы масс нуклонов. Куда же исчезла недостающая масса? Ответ следует из знаменитой формулы Эйнштейна, связывавшей энергию и массу, E=mc2, где с - скорость света.
Чтобы освободить нуклоны из ядра, необходимо затратить энергию, равную энергии связи Есв, которая удерживает их в ядре. И наоборот, при образовании ядра из свободных нуклонов должна выделиться та же энергия Есв. Но выделение энергии приводит к уменьшению массы ядра - дефекту массы:
M = Eсв
/c2
= Zmp
+ Nmn
- Mяд
(Z, N) ,
где Мяд
(Z, N) - масса ядра, имеющего Z протонов и N нейтронов, а mp
и mn
- массы протона и нейтрона.
Поскольку наибольший дефект массы наблюдается у ядер в середине таблицы Менделеева, возможно 2 типа экзотермических ядерных превращений. Первый - реакции деления тяжелых ядер на средние, когда под действием нейтрона из одного ядра изотопа урана U выделяется около 214 МэВ энергии. Из них примерно 12 МэВ уносят нейтрино, поэтому реально высвобождающаяся ядерная энергия составляет 0,85 МэВ на нуклон, или 2,2 107 кВт/кг. Это в 2 млн раз больше энергии, выделяющейся при сгорании 1 кг нефти. В конце XX в. 17% всей производимой в мире электроэнергии вырабатывали атомные электростанции, где реализуется первый тип реакций.
Второй тип - слияние двух легких ядер (например, двух ядер дейтерия D - в ядро гелия He). Избыточная масса сливающихся ядер также преобразуется в энергию. Эту реакцию называют термоядерной.
Неуправляемая реакция синтеза легких ядер была осуществлена при взрыве водородной бомбы, и вот уже приблизительно полстолетия физики работают над проблемой управляемого термоядерного синтеза.
Любой химический элемент однозначно определяется его атомным номером Z - числом протонов в ядре. Но нейтронов N может быть больше или меньше. Атомы (и ядра) элемента, различающиеся лишь массой ядра (т.е. числом нейтронов), называют изотопами. Они помечаются соответствующим числом А, задающим их атомную массу, т.е. числом нуклонов A=Z + N. Все изотопы элемента обладают одинаковыми химическими и почти одинаковыми физическими свойствами, поскольку структура электронных оболочек атома зависит от заряда ядра Z. Но при фиксированном Z свойства ядер с разными N, а значит, и А могут сильно различаться. Речь идет прежде всего об их устойчивости.
Существуют стабильные и нестабильные (радиоактивные) изотопы. Каждый нестабильный изотоп характеризуется своим периодом распада - временем, за которое самопроизвольно распадается половина исходного количества его ядер. Применяется и близкая к периоду полураспада величина - среднее время жизни изотопа.
Описание на основе капельной модели
В общем случае ядро представляет собой квантовую систему многих тел (нуклонов), сильно взаимодействующих друг с другом. Описать динамику такой системы современными аналитическими методами практически невозможно. Поэтому приходится обращаться к моделям, созданным на основе определенных допущений, благодаря чему удается упростить реальные процессы и уподобить ядро какой-либо более простой и лучше изученной физической системе.
Моделей ядра очень много, каждая из них позволяет описать некую совокупность свойств и характеристик ядра. Капельная модель ядра
, предложенная Нильсом Бором и немецким теоретиком Карлом Фридрихом фон Вайцзеккером была затем развита американским ученым Джоном Арчибальдом Уилером и российским физиком Яковом Ильичем Френкелем. Эту модель также называют гидродинамической из-за сходства некоторых характеристик ядра (постоянства плотности, удельной энергии связи и др.) со свойствами жидкости.
Фотография делящейся капли воды
Изменение потенциальной энергии и её составляющих в процессе деления ядра
Традиционно механизм деления рассматривается в рамках капельной модели ядра, этот подход восходит к работе Бора и Уилера 1939 года.
Для деления с большой вероятностью тяжёлое ядро должно получить энергию извне, превышающую значение барьера деления. Так, после присоединения нейтрона ядро обладает энергией возбуждения, равной сумме энергии отделения (энергии связи) нейтрона и кинетической энергии захваченного нейтрона:
Евозб
= Есв
+ Екин
Этой дополнительной энергии может быть достаточно, чтобы ядро перешло в возбуждённое состояние с интенсивными колебаниями.
Физически аналогичную ситуацию можно получить, если поместить каплю воды на горячую горизонтальную поверхность. Если поверхность достаточно горячая, то капля будет плавать на изолирующем слое пара, поддерживающем её над поверхностью в свободном состоянии. При этом могут возникнуть колебания формы капли, при которых она примет последовательно шарообразную и эллипсоидальную форму. Такое колебательное движение представляет собой состояние динамического равновесия между инерционным движением вещества капли и поверхностным натяжением, которое стремится поддерживать сферически симметричную форму капли. Если силы поверхностного натяжения достаточно велики, то процесс вытягивания капли прекратится раньше, чем капля разделится. Если же кинетическая энергия инерционного движения вещества капли окажется большой, то капля может принять гантелеобразную форму и при своём дальнейшем движении разделиться на две части.
В случае ядра процесс происходит аналогично, только к нему добавляется электростатическое отталкивание протонов, действующее как дополнительный фактор против ядерных сил, удерживающих нуклоны в ядре. Если ядро находится в возбуждённом состоянии, то оно совершает колебательные движения, связанные с отклонениями его формы от сферической. Максимальная деформация увеличивается с ростом энергии возбуждения и при некотором её значении может превысить критическое значение, что приведёт к разрыву исходной капли и образованию двух новых. Колебательные движения возможны под действием сил поверхностного натяжения (аналог ядерных сил в капельной модели ядра) и кулоновских.
На поясняющем рисунке показано изменение потенциальной энергии и отдельных её составляющих в процессе деления заряженной капли. Энергия поверхностного натяжения резко возрастает с ростом малых деформаций (состояния 1-3) и остаётся практически неизменной после того, как капля приобретает гантелевидную форму (3-4). Энергия кулоновского взаимодействия плавно уменьшается с ростом деформаций практически во всём диапазоне состояний. Ядра, образовавшиеся после деления исходного ядра, разлетаются в противоположные стороны под действием кулоновских сил и потенциальная энергия превращается в кинетическую (4-5). В итоге суммарная потенциальная энергия возрастает до момента деления капли, а затем уменьшается.
Барьер деления равен разности между максимальным значением потенциальной энергии и её значением для исходного состояния, именно он препятствует самопроизвольному делению тяжёлых ядер. Разность между начальным значением потенциальной энергии и её минимальным конечным значением равна энергии реакции деления .
Энергетически выгодно деление тяжёлых ядер ( больше нуля почти для всех ядер с ). Значения и зависят от массового числа ядра. Для ядер с барьер деления примерно равен 40—60 МэВ, с ростом значение уменьшается и для самых тяжёлых ядер становится равным приблизительно 6 МэВ. Для ядер с барьер деления равен практически нулю, поэтому таких ядер в природе нет. Энергия реакции деления возрастает с ростом массового числа от отрицательных значений для ядер с до около 200 МэВ для ядер
| A |
16 |
60 |
100 |
140 |
200 |
236 |
| , МэВ |
−14,5 |
−16 |
13,5 |
44 |
135 |
205 |
| , МэВ |
18,5 |
48 |
47 |
62 |
40 |
6 |
Таким образом, для реализации процесса деления с большой вероятностью ядро должно получить извне энергию, превышающую значение барьера деления. Такую энергию можно передать ядру различными способами (облучение гамма-квантами, бомбардировка частицами и др.). Из всех возможных способов практическое применение нашёл лишь один — образование возбуждённого составного ядра путём присоединения к исходному ядру нейтрона, вклад других способов деления в ядерных реакторах составляет меньше 1 %.
Деление нейтронами имеет огромное преимущество по сравнению с другими по двум причинам:
пороговое значение кинетической энергии для нейтрона меньше, чем для гамма-кванта, приблизительно на величину (энергия связи нейтрона в составном ядре), что следует из формулы для энергии возбуждения составного ядра;
деление ядер нейтронами сопровождается испусканием нейтронов, что создаёт основу для протекания цепной реакции деления.
Оболочечные поправки. Двугорбый барьер деления
Описание на основе капельной модели не в состоянии объяснить некоторые существенные особенности процесса деления, в частности, асимметрию масс осколков. Кроме того, параметры спонтанно делящихся ядерных изомеров и характер зависимости сечения реакции деления от энергии вызывающих её нейтронов свидетельствуют о том, что барьер деления тяжёлых ядер имеет не один, а два максимума (двугорбый барьер деления), между которыми находится вторая потенциальная яма. Эти особенности деления получают своё объяснение при учёте оболочечных поправок к энергии, вычисляемой с помощью капельной модели. Соответствующий метод был предложен Струтинским в 1966 году. Оболочечные эффекты выражаются в увеличении или уменьшении плотности уровней энергии ядра; они присущи как сферически симметричным, так и деформированным состояниям ядер. Учёт этих эффектов усложняет зависимость энергии от параметра деформации по сравнению с капельной моделью. Для большинства ядер актиноидов в этой зависимости появляется вторая потенциальная яма, соответствующая сильной деформации ядра. Глубина этой ямы меньше глубины первой ямы (соответствующей основному состоянию ядра) на 2—4 МэВ.
В общем случае деформация делящегося ядра описывается не одним, а несколькими параметрами. В таком многопараметрическом пространстве ядро может двигаться от начального состояния к точке разрыва различными путями. Такие пути называются модами (или каналами) деления. Так, в делении 235
U тепловыми нейтронами выделяют три моды. Каждая мода деления характеризуется своими значениями асимметрии масс осколков деления и их полной кинетической энергии.
Спонтанное деление
В некоторых случаях ядро может делиться самопроизвольно, без взаимодействия с другими частицами. Этот процесс называется спонтанным делением. Спонтанное деление — один из основных видов распада сверхтяжёлых ядер.
Спонтанное деление ядер в основном состоянии
Делению ядер, находящихся в основном состоянии, препятствует барьер деления.
Из рассмотрения механизма деления следует, что условие большой вероятности деления (соизмеримой с вероятностями других взаимодействий нейтронов с ядром) можно записать в виде:
,
то есть энергия возбуждения составного ядра должна быть не меньше барьера деления этого ядра. Деление возможно и при , но вероятность такого процесса резко уменьшается с уменьшением энергии возбуждения.
Механизм этого процесса объясняется в рамках квантовой механики и аналогичен механизму излучения α-частицы, проходящей через потенциальный барьер. Это так называемый туннельный эффект, из объяснения которого следует, что проницаемость любого энергетического барьера отлична от нуля, хотя и уменьшается с увеличением ширины и высоты барьера.
Вероятность спонтанного деления определяется в первую очередь проницаемостью барьера деления. В первом приближении (в рамках капельной модели) барьер деления уменьшается с ростом параметра деления исчезая при Таким образом, вероятность спонтанного деления увеличивается с ростом заряда ядра. Для всех существующих в природе ядер вероятность и соответственно скорость спонтанного деления очень малы. Лишь для самых тяжёлых из них скорости увеличиваются настолько, что могут быть определены экспериментально. Например для 238
U и 239
Pu период полураспада для спонтанного деления имеет порядок величины 1016
лет, а для 235
U ещё больше.
| Ядро |
, лет |
, лет |
Доля спонтанного деления, % |
| 235U |
(1,0 ± 0,3)×1019 |
(7,04 ± 0,01)×108 |
7×10−9 |
| 238U |
(8,2 ± 0,1)×1015 |
(4,468 ± 0,003)×109 |
5,5×10−5 |
| 239Pu |
(8 ± 2)×1015 |
(2,411 ± 0,003)×104 |
3×10−10 |
| 252Cf |
86 ± 1 |
2,645 ± 0,008 |
3,09 |
Спонтанные деления имеют заметное значение как фоновый источник нейтронов в реакторах, содержащих большие количества 238
U, и в реакторах, в которых накапливается заметное количество 239
Pu, например, в реакторах на быстрых нейтронах. Для изучения свойств спонтанного деления зачастую используются более тяжёлые нуклиды, в первую очередь 252
Cf. В спонтанном делении нуклидов c , в отличие от более лёгких ядер, превалирует симметричная мода (с примерно равными массами осколков деления).
Изомеры формы
Для некоторых нуклидов с зарядовым числом от 92 до 97 (от урана до берклия) обнаружены возбуждённые состояния с малым периодом полураспада по спонтанному делению. Вероятность спонтанного деления для этих состояний превосходит вероятность спонтанного деления для основных состояний соответствующих ядер. Эти состояния соответствуют нижнему уровню энергии ядра во второй потенциальной яме. Они характеризуются высокой степенью деформации и называются изомерами формы.
Высокая вероятность спонтанного деления изомеров формы объясняется значительно меньшей шириной барьера деления — делению из второй потенциальной ямы препятствует только внешний пик барьера деления. В свою очередь, внутренний пик препятствует гамма-переходу в основное состояние ядра. Поэтому основной модой распада изомеров формы является спонтанное деление — эти изомеры известны у 35 нуклидов актиноидов и лишь для двух из них (236mU и 238mU) наблюдается изомерный гамма-переход.
Энергия изомеров формы составляет от 2 до 4 МэВ, соответствуя минимуму энергии во второй потенциальной яме. Периоды полураспада — от наносекунд до миллисекунд. Наибольший период полураспада — 14 мс — наблюдается у 242mAm, открытого первым из изомеров формы.
Если в химии изомером называется молекула с тем же составом, но другим геометрическим упорядочением атомов, то в физике ядерным изомером называется иное возбужденное, но стабильное состояние ядра химического элемента с тем же количеством протонов и нейтронов. Ядерный изомер – это стабильное и относительно долгоживущее возбужденное состояние атомного ядра с замедленным обратным распадом в основное состояние. Изомер представляет собой прекрасный аккумулятор энергии, и если ученые смогут найти способ ее контролированного высвобождения, то у инженеров появится совершенно новый тип аккумуляторных батарей – ядерных батарей. Дело в том, что переход из возбужденного состояния в основное можно инициировать электромагнитным воздействием, т.е. бомбардируя ядерный изомер пучком фотонов.
Кроме того, исследования изомеров могут позволить проследить за процессами образования новых химических элементов внутри звезд и оценить время жизни и эволюции, а это – один из важнейших вопросов всей астрофизики.
Делящиеся нуклиды
Иллюстрация на тему распада 235
U
Как следует из теории составного ядра, минимальное значение энергии составного ядра равно энергии связи нейтрона в этом ядре , которая существенно зависит от чётности числа нейтронов в ядре: энергия связи чётного нейтрона гораздо больше энергии связи нечётного при приблизительно равных массовых числах ядра. Сравним значения барьера деления для тяжёлых ядер и энергии связи нейтрона в тяжёлых ядрах (наиболее важных с практической точки зрения):
| Ядро |
, МэВ |
Ядро |
, МэВ |
| 232Th |
5,9 |
233Th |
4,79 |
| 233U |
5,5 |
234U |
6,84 |
| 235U |
5,75 |
236U |
6,55 |
| 238U |
5,85 |
239U |
4,80 |
| 239Pu |
5,5 |
240Pu |
6,53 |
Следует отметить, что в таблице для энергии связи приведены ядра, образующиеся путём присоединения нейтрона к ядрам из таблицы для порога деления, однако величина барьера деления слабо зависит от массового числа и состава ядра, поэтому такое качественное сравнение допустимо.
Сравнение величин из этих таблиц показывает, что для разных ядер:
, это означает, что деление возможно нейтронами с любой сколь угодно малой кинетической энергией. К этой группе относятся ядра с нечётным числом нейтронов (присоединяемый нейтрон — чётный): 233
U, 235
U, 239
Pu, которые принято называть делящимися;
, это означает, что деление возможно лишь нейтронами с кинетической энергией, превышающей некое пороговое значение. К этой группе относятся ядра с чётным числом нейтронов (присоединяемый нейтрон — нечётный): 232
Th, 238
U, которые называют пороговыми. Значение пороговых энергий примерно равны 1,2 МэВ для 232
Th и 1 МэВ для 238
U.
Для других (не указанных в таблице) ядер ситуация аналогичная: ядра с нечётным числом нейтронов - делящиеся, с чётным — пороговые. Пороговые ядра не могут служить основой цепной ядерной реакции деления.
Из пяти рассмотренных выше ядер только три имеются в природе: 232
Th, 235
U, 238
U. Природный уран содержит примерно 99,3 % 238
U и лишь 0,7 % 235
U. Другие делящиеся ядра, 233
U и 239
Pu, могут быть получены искусственным путём. Практические способы их получения основаны на использовании пороговых ядер 232
Th и 238
U по следующим схемам:
В обоих случаях процесс радиационного захвата приводит к образованию радиоактивных ядер. После двух последовательных β-распадов образуются делящиеся нуклиды. Промежуточные ядра имеют достаточно малые периоды полураспада, что позволяет использовать эти способы на практике. Образовавшиеся делящиеся ядра также радиоактивны, но их периоды полураспада настолько велики, что ядра можно рассматривать как стабильные при использовании в ядерных реакторах.
В связи с возможностью получения делящихся ядер из пороговых, встречающихся в природе, 232
Th и 238
U, последние принято называть воспроизводящими. Современные знания о нуклидах позволяют предполагать, что будущее ядерной энергетики связано именно с превращением воспроизводящих материалов в делящиеся.
Стадии процесса деления
Условное схематическое изображение стадий процесса деления (r — расстояние между образовавшимися ядрами, t — время протекания стадий)
Деление начинается с образования составного ядра. Спустя примерно 10−14
секунды это ядро делится на два осколка, которые, ускоряясь под действием кулоновских сил, разлетаются в противоположные стороны. Ускоренное движение осколков заканчивается спустя 10−17
с с момента их образования. К этому времени они имеют суммарную кинетическую энергию примерно 170 МэВ и находятся на расстоянии друг от друга примерно 10−8
см, то есть порядка размера атома.
Часть энергии деления переходит в энергию возбуждения осколков деления, которые ведут себя как любые возбуждённые ядра — либо переходят в основные состояния, излучая гамма-кванты, либо испускают нуклоны и превращаются в новые ядра, которые также могут оказаться в возбуждённом состоянии и их поведение будет аналогично поведению ядер, образовавшихся при делении исходного составного ядра.
Испускание ядром нуклона возможно лишь в случае, когда энергия возбуждения превышает энергию связи нуклона в ядре, тогда он испускается с большей вероятностью, чем гамма-квант, так как последний процесс протекает гораздо медленнее (электромагнитное взаимодействие намного слабее ядерного). Чаще всего испускаемым нуклоном является нейтрон, так как ему не нужно преодолевать кулоновский барьер при вылете из ядра, а для осколков деления это ещё вероятнее, так как они перегружены нейтронами, что приводит к понижению энергии связи последних. Энергия возбуждения осколков деления примерно равна 20 МэВ, что намного больше энергии связи нейтронов в осколках, а следовательно возможно испускание одного или двух нейтронов каждым из осколков спустя 10−17
−10−14
секунды с момента их образования. В результате практически мгновенно после деления составного ядра осколки деления испускают два или три нейтрона, которые принято называть мгновенными.
Образовавшиеся ядра по-прежнему находятся в возбуждённых состояниях, однако в каждом из них энергия возбуждения меньше энергии связи нейтрона, поэтому остатки энергии возбуждения излучаются в виде гамма-квантов спустя 10−14
−10−9
секунды с момента испускания нейтронов, такие гамма-кванты также называются мгновенными.
В дальнейшем движение осколков деления не связано с их превращениями. Так как они увлекают за собой не все электроны исходного атома, из них образуются многозарядные ионы, кинетическая энергия которых тратится на ионизацию и возбуждение атомов среды, что вызывает их торможение. В результате ионы превращаются в нейтральные атомы с ядрами в основных энергетических состояниях. Такие атомы называются продуктами деления
.
Продукты деления имеют ядра со всё ещё избыточным количеством нейтронов по сравнению со стабильными ядрами в той же области массовых чисел и являются таким образом β-радиоактивными, каждое из них служит началом серии β−превращений, заканчивающихся только при достижении стабильного состояния. Ядра одной серии составляют так называемую цепочку распада, состоящую в среднем из трёх β−переходов, скорость которых зависит от избытка нейтронов, уменьшается по мере приближения к стабильному состоянию и намного меньше рассмотренных выше стадий процесса деления. β−распад сопровождается испусканием антинейтрино.
В результате β−распадов могут образовываться ядра в возбуждённых состояниях, которые переходят в основные состояния путём излучения гамма-квантов либо, крайне редко, превращаются в другие ядра путём испускания нейтронов. Такие нейтроны называются запаздывающими
.
Следует отметить, что в процессе деления возможно образование частиц, не упомянутых выше (например α-частиц), либо осколков деления в количестве, большем двух, однако эти события настолько маловероятны, что на практике обычно не рассматриваются.
Энергия деления
При делении тяжёлого ядра выделяется примерно 200 МэВ и более 80 % этой энергии составляет кинетическая энергия осколков деления. Остальная часть распределяется между нейтронами, гамма-квантами, β−частицами и антинейтрино. При этом соотношение между отдельными составляющими энергии деления слабо зависит от делящегося ядра и от энергии нейтрона, вызывающего процесс деления.
Превращающаяся в тепло энергия на один акт деления (200 МэВ), в перерасчёте на 1 г прореагировавшего 235
U даёт:
5×1023МэВ = 1,94×1010кал = 8,1×1010Дж = 22,5 МВт·ч ≈ 1 МВт·сут
Интересно, что около 5 % всей энергии деления уносится с антинейтрино и не может быть использовано.
Энергия осколков деления, мгновенных гамма-квантов и нейтронов превращается в тепло практически мгновенно. Энергия β−распада, составляющая примерно 7 % всей энергии деления, выделяется постепенно в течение длительного времени, так как β−распады происходят значительно позже момента деления ядра. Это запаздывание приводит к так называемому остаточному энерговыделению в остановленном ядерном реакторе, которое (в случае его работы на большой мощности) после остановки настолько велико, что необходимо принимать меры для охлаждения реактора. Причём вначале остаточное энерговыделение уменьшается довольно быстро: треть за 1 минуту, 60 % — за 1 час, около 75 % — за 1 сутки. Затем энергия выделяется всё медленнее, вследствие чего отработавшее в реакторе ядерное топливо обладает настолько большой радиоактивностью и, соответственно, остаточным энерговыделением, что требует длительной (по нескольку лет) выдержки в специальных бассейнах с охлаждением.
Распределение энергии деления, МэВ:
| Ядро |
Кинетическая энергия осколков |
Энергия мгновенных гамма-квантов |
Энергия запаздывающих гамма-квантов |
Энергия нейтронов |
Энергия бета-частиц |
Энергия антинейтрино |
Суммарная энергия |
| 233U |
160,5 |
7,0 |
7,0 |
5,0 |
9,0 |
10 |
198,5 |
| 235U |
166,0 |
7,2 |
7,2 |
4,9 |
9,0 |
10 |
204,1 |
| 239Pu |
171,5 |
7,0 |
7,0 |
5,8 |
9,0 |
10 |
210,3 |
Осколки деления
Выход осколков деления 235U
При делении 235
U тепловыми нейтронами образуется около 30 различных пар осколков, преимущественно неравной массы. Самый лёгкий из них имеет массовое число 72, самый тяжёлый — 161. Наиболее вероятно деление на осколки с отношением масс 3/2. Выход таких осколков достигает примерно 6 %, в то время как осколков с равными массами — примерно 10−2 %. Такой характер распределения осколков по массам наблюдается для всех делящихся нуклидов как при спонтанном делении, так и при делении возбуждённых составных ядер независимо от вида частиц, бомбардирующих исходные ядра. Кривые выхода осколков деления слабо различаются для разных делящихся ядер, это говорит о том, что асимметрия в распределении осколков присуща самому механизму деления ядер.
Такая асимметричность деления осколков противоречит предсказаниям капельной модели ядра, так как бесструктурная капля с наибольшей вероятностью должна делиться как раз на две равные части. Деление на неравные части объясняется в рамках оболочечной модели ядра как результат преимущественного образования ядер с заполненными оболочками, содержащими 50 и 82 нейтронов (магические числа). Однако асимметрия деления уменьшается при увеличении энергии возбуждения делящегося ядра и при больших её значениях исчезает. Например, в случае деления 235
U тепловыми нейтронами вероятность симметричного деления составляет примерно 0,01 %, нейтронами с энергией 14 МэВ около 1 %, а при энергии нейтрона более 100 МэВ распределение осколков деления по массам имеет один максимум, соответствующий симметричному делению ядра. Такая тенденция находится в согласии с представлением о применимости ядерных моделей.
Продукты деления
Массовое число продуктов деления, как правило, не изменяется в процессе β−превращений, поэтому выход осколка деления с определённым массовым числом можно рассматривать и как выход всех продуктов деления с тем же массовым числом. Таким образом, среди продуктов деления находятся в основном атомы с массовыми числами ядер в интервалах 90—105 и 130—145 (см. график в предыдущем разделе).
Состав продуктов деления в общем случае постоянно изменяется, однако если процесс деления продолжается достаточно долго с постоянной скоростью, то в большинстве цепочек β−распада достигается равновесие и химический состав продуктов деления становится неизменным. Каждый элемент при этом представлен многими изотопами из разных цепочек.
В состоянии равновесия из всех продуктов деления примерно:
25 % — редкоземельные элементы,
15 % — цирконий,
12 % — молибден,
6,5 % — цезий,
16 % — благородные газы (ксенон и криптон).
Количество продуктов деления примерно в 2 раза превышает количество разделившихся ядер. Так как размеры всех атомов приблизительно одинаковы, то продукты деления занимают больший объём, чем атомы делящегося материала, что приводит к радиационному распуханию ядерного топлива, то есть образование в нём пор, заполненных газообразными продуктами деления или рост его объёма.
Нейтроны деления
Зависимость среднего числа нейтронов, испускаемых при делении от энергии нейтронов, вызывающих деление для различных ядер
Испускание нейтронов осколками деления — одна из важнейших особенностей процесса деления тяжёлых ядер. Именно она позволяет создать при определённых условиях цепную реакцию деления.
Мгновенные нейтроны
Это нейтроны, испускаемые осколками деления практически мгновенно после деления составного ядра, в отличие от запаздывающих нейтронов, испускаемых продуктами деления через некоторое время после этого. Количество нейтронов, испускаемых в одном акте деления — случайная величина, распределённая примерно по закону Гаусса около среднего значения (2-3 нейтрона на одно делящееся ядро). Мгновенные нейтроны составляют более 99 % нейтронов деления.
Среднее число нейтронов , образующихся при делении, зависит от сорта ядра-мишени и энергии налетающего нейтрона. Наблюдается заметный рост при увеличении энергии возбуждения делящегося ядра. Экспериментальные данные хорошо описываются линейной зависимостью вида:
,
где — значение для E=0,025 эВ.
Запаздывающие нейтроны
Это нейтроны, испускаемые продуктами деления через некоторое время (от нескольких миллисекунд до нескольких минут) после реакции деления тяжёлых ядер, в отличие от мгновенных нейтронов, испускаемых практически мгновенно после деления составного ядра.
В очень редких случаях в цепочке β-превращений образуется ядро с энергией возбуждения, превышающей энергию связи нейтрона в этом ядре. Такие ядра могут испускать нейтроны, которые называются запаздывающими. Испускание запаздывающего нейтрона конкурирует с гамма-излучением, однако в случае перегруженности ядра нейтронами более вероятно будет испускание нейтрона.
Несмотря на малый выход, запаздывающие нейтроны играют огромную роль в ядерных реакторах. Благодаря большому запаздыванию, эти нейтроны существенно, примерно на два порядка и более, увеличивают время жизни нейтронов одного поколения в ядерном реакторе и тем самым создают возможность управления самоподдерживающейся цепной реакцией деления.
Ядро, образовавшееся при испускании запаздывающего нейтрона, может находиться либо в основном, либо в возбуждённом состоянии. В последнем случае возбуждение снимается гамма-излучением.
Применение
Область применения ядерных реакций очень обширна. В настоящее время ядерные реакции применяются в следующих областях деятельности человечества:
энергетика;
военная сфера;
синтез новых элементов;
медицина;
научные исследования.
Ядерные реакции проникли практически во все сферы деятельности человека.
Энергетика
Энергетика - важнейшая отрасль хозяйства и промышленности. Благодаря тому, что человек научился проводить управляемую ядерную реакцию и аккумулировать полученную энергию, затрачивая при этом минимальное количество сырья, намного уменьшилось потребление традиционных видов органического топлива. Обычно, для получения ядерной энергии используют цепную ядерную реакцию деления ядер 235
U или плутония. Ядра делятся при попадании в них нейтрона, при этом получаются новые нейтроны и осколки деления. Нейтроны деления и осколки деления обладают большой кинетической энергией. В результате столкновений осколков с другими атомами эта кинетическая энергия быстро преобразуется в тепло. Ядерная энергия производится в атомных электрических станциях, используется на атомных ледоколах, атомных подводных лодках; США осуществляют программу по созданию ядерного двигателя для космических кораблей, кроме того, делались попытки создать ядерный двигатель для самолётов.
Деление ядер — мощный источник энергии, которое человечество использует в больших масштабах уже более 50 лет. Применение свойства деления, которое заключается в том, что при определённых условиях реакция деления может быть цепной, привело к созданию ядерных реакторов, использующих управляемую цепную реакцию для различных целей, и ядерного оружия, использующего неуправляемую цепную реакцию. Наряду с термоядерным, ядерное оружие является самым сокрушительным видом вооружений. Крупнейшими международными организациями в области использования атомной энергии являются МАГАТЭ и ВАО АЭС.
Военная сфера
Применение цепных ядерных реакций в военной сфере вызывает наибольшее количество вопросов и опасений. При проведении неуправляемой, т.е. взрывной, ядерной реакции погибает все живое на огромных пространствах. Не зря ядерное оружие относят к числу оружия массового поражения. Впервые силу ядерного оружия ощутили на себе японцы - жители городов Хиросима и Нагасаки - в конце Второй Мировой войны. Последствия сказываются и в наше время.
Синтез новых элементов
Ядерные реакции являются, по сути, реакциями получения новых элементов, т.к. при расщеплении или слиянии ядер получаются другие элементы таблицы Менделеева.
Медицина
В связи с прогрессом в развитии техники ускорителей и новых диагностических систем, таких как сцинтилляционные камеры, однолучевой и позитронно-эмиссионный томографы, низкоэнергетические детекторы типа многопроволочных пропорциональных камер и др., все большее значение в медицинских и биохимических исследованиях приобретают различные радионуклиды. В современной ядерной медицине для научно-исследовательских, диагностических и терапевтических целей применяют свыше 50 циклотронных радионуклидов с периодом полураспада от нескольких минут до нескольких лет. В работе рассматриваются общие положения, методы и экспериментальные результаты, определяющие получение наиболее важных и широко используемых в настоящее время, а также перспективных для ядерной медицины и биохимии циклотронных радионуклидов. Среди них группа ультракороткоживущих изотопов (11С, 13N, 15O, 18F), некоторые гамма-излучатели (123I, 201Tl, 67Ga, 111In), генераторные радионуклиды (18Rb,81mKr, 82Sr, 82Rb, 52Fe, 52mMn и др.), группа перспективных радионуклидов специального назначения (26Al, 67Cu, 97Ru,237Pu) и ряд других изотопов.
Научные исследования
Ядерные реакции довольно широко применяются в научных работах в определенных сферах. Существуют целые научные города, занимающиеся научными исследованиями с использованием ядерных технологий.
Заключение
Итак, в данном реферате были рассмотрены основные виды ядерных превращений, история их открытия, особенности протекания некоторых реакций, основные сферы применения деления ядер и остальных видов превращений. Были освещены также такие темы, как механизм деления ядер и составляющие этого процесса, например: стадии деления, энергия деления, продукты деления и др.
Несмотря на относительно недавний срок изучения (менее ста лет), данная тема вызывает большой интерес, что вполне объяснимо, учитывая потенциал исследований ядерных превращений. Доля энергии, вырабатываемой на АЭС, с каждым годом растет, применение ядерных превращений в медицине тоже оправдывает себя. А наличие в данной области сфер, еще не получивших практическое применение, таких как, например, термоядерный синтез, будет и дальше приковывать к себе интерес ученых.
Список литературы
· «Большая Советская Энциклопедия»
· http://www.vokrugsveta.ru (2011)
· К. Н. Мухин «Экспериментальная ядерная физика», 5е изд
· http://nuclphys.sinp.msu.ru (2011)
· http://www.ntpo.com (Portal of science and technology © 2003-2010 Copyright All rights reserved)
· http://www.newchemistry.ru (Copyright © Newchemistry.ru 2006. All Rights Reserved)
· http://www.popmech.ru (© 2002-2011 ООО «Фэшн Пресс», © 2002-2011 Sanoma Independent Media)