Под действием каких сил разрывается ядро в процессе деления ядра урана?

8 ответов на вопрос “Под действием каких сил разрывается ядро в процессе деления ядра урана?”

  1. PRAKT!K Ответить

    «Физика – 11 класс»
    Делиться на части могут только ядра некоторых тяжелых элементов.
    При делении ядер испускаются два-три нейтрона и ?-лучи.
    Одновременно выделяется большая энергия.
    Открытие деления урана
    Деление ядер урана было открыто в 1938 г. немецкими учеными О. Ганом и Ф. Штрассманом.
    Они установили, что при бомбардировке урана нейтронами возникают элементы средней части периодической системы: барий, криптон и др.
    Однако правильное истолкование этого факта именно как деления ядра урана, захватившего нейтрон, было дано в начале 1939 г. английским физиком О. Фришем совместно с австрийским физиком Л. Мейтнер.
    Захват нейтрона нарушает стабильность ядра.
    Ядро возбуждается и становится неустойчивым, что приводит к его делению на осколки.
    Деление ядра возможно потому, что масса покоя тяжелого ядра больше суммы масс покоя осколков, возникающих при делении.
    Поэтому происходит выделение энергии, эквивалентной уменьшению массы покоя, сопровождающему деление.
    Но полная масса сохраняется, так как масса движущихся с большой скоростью осколков превышает их массу покоя.
    Возможность деления тяжелых ядер можно также объяснить с помощью графика зависимости удельной энергии связи от массового числа A.
    Удельная энергия связи ядер атомов элементов, занимающих в периодической системе последние места (А ? 200), примерно на 1 МэВ меньше удельной энергии связи в ядрах элементов, находящихся в середине периодической системы (А ? 100).
    Поэтому процесс деления тяжелых ядер на ядра элементов средней части периодической системы является энергетически выгодным.
    Система после деления переходит в состояние с минимальной внутренней энергией.
    Ведь, чем больше энергия связи ядра, тем большая энергия должна выделяться при возникновении ядра и, следовательно, тем меньше внутренняя энергия образовавшейся вновь системы.

    При делении ядра энергия связи, приходящаяся на каждый нуклон, увеличивается на 1 МэВ и общая выделяющаяся энергия должна быть огромной — порядка 200 МэВ.
    Ни при какой другой ядерной реакции (не связанной с делением) столь больших энергий не выделяется.
    Непосредственные измерения энергии, выделяющейся при делении ядра урана подтвердили приведенные соображения и дали значение ?200 МэВ.
    Причем большая часть этой энергии (168 МэВ) приходится на кинетическую энергию осколков.
    На рисунке представлены треки осколков делящегося урана в камере Вильсона.
    Выделяющаяся при делении ядра энергия имеет электростатическое, а не ядерное происхождение.
    Большая кинетическая энергия, которую имеют осколки, возникает вследствие их кулоновского отталкивания.

  2. Freed0M^ Ответить

    Делиться на части могут только ядра некоторых тяжелых элементов. При делении ядер испускаются два-три нейтрона и у-лучи. Одновременно выделяется большая энергия.
    Открытие деления урана. Деление ядер урана было открыто в 1938 г. немецкими учеными О. Ганом и Ф. Штрассманом. Они установили, что при бомбардировке урана нейтронами возникают элементы средней части периодической системы: барий, криптон и др. Однако правильное истолкование этого факта, именно как деления ядра урана, захватившего нейтрон, было дано в начале 1939 г. английским физиком О. Фришем совместно с австрийским физиком J1. Мейтнер.
    Деление ядра возможно благодаря тому, что масса покоя тяжелого ядра больше суммы масс покоя осколков, возникающих при делении. Поэтому происходит выделение энергии, эквивалентной уменьшению массы покоя, сопровождающему деление. Но полная масса сохраняется, так как масса движущихся с большой скоростью осколков превышает их массу покоя.
    Возможность деления тяжелых ядер можно также объяснить с помощью графика завг >сги удельной энергии связи от массового числа А (см. рис. 263). i ъная энергия связи ядер атомов, занимающих в периодической системе последние места (Л—200), примерно на 1 МэВ меньше удельной энергии связи в ядрах элементов, находящихся в середине периодической системы (Л—100). Поэтому процесс деления тяжелых ядер на ядра элементов средней части периодической системы является энергетически выгодным. Система после деления переходит в состояние с минимальной внутренней энергией. Ведь, чем больше энергия связи ядра, тем большая энергия должна выделяться при образовании ядра и, следовательно, тем меньше внутренняя энергия образовавшейся вновь системы.
    При делении ядра энергия связи, приходящаяся на каждый нуклон, увеличивается на 1 МэВ и общая выделяющаяся энергия должна быть огромной — порядка 200 МэВ. Ни при какой другой ядерной реакции (не связанной с делением) столь больших энергий не выделяется.
    Непосредственные измерения энергии, выделяющейся при де-
    235, ,
    лении ядра урана 92U, подтвердили приведенные соображения и дали величину ~200 МэВ. Причем большая часть этой энергии (168 МэВ) приходится на кинетическую энергию осколков. На рисунке 265 вы видите треки осколков делящегося урана в камере Вильсона.
    Выделяющаяся при делении ядра энергия имеет электростатическое, а не ядерное происхождение. Большая кинетическая энергия, которую имеют осколки, возникает вследствие их кулоновского отталкивания.
    Механизм деления ядра. Процесс деления атомного ядра можно объяснить на основе капельной модели ядра. Согласно этой модели сгусток нуклонов напоминает капельку заряженной жидкости (рис. 266, а). Ядерные силы между нуклонами являются короткодействующими, подобно силам, действующим между молекулами жидкости. Наряду с большими силами электростатического отталкивания между протонами, стремящимися разорвать ядро на части, действуют еще большие ядерные силы притяжения. Эти силы удерживают ядро от распада.
    Ядро урана-235 имеет форму шара. Поглотив лишний нейтрон, оно возбуждается и начинает деформироваться, приобретая вытянутую форму (рис. 266, б). Ядро будет растягиваться до тех пор, пока силы отталкивания между половинками вытянутого ядра не начинают преобладать над силами притяжения, действующими в перешейке (рис. 266, в). После этого оно разрывается на две части (рис. 266, г). Под действием кулоновских сил отталкивания эти осколки разлетаются со скоростью, равной 1/30 скорости света.
    Испускание нейтронов в процессе деления. Фундаментальным факт ядерного деления — испускание в процессе деления двух-трех нейтронов. Именно благодаря этому оказалось возможным практическое использование внутриядерной энергии.
    Понять, почему происходит испускание свободных нейтронов, можно исходя из следующих соображений. Известно, что отношение числа нейтронов к числу протонов в стабильных ядрах возрастает с повышением атомного номера. Поэтому у возникающих при делении осколков относительное число нейтронов оказывается большим, чем это допустимо для ядер атомов, находящихся в середине таблицы Менделеева. В результате несколько нейтронов освобождается в процессе деления. Их энергия имеет различные значения — от нескольких миллионов электронвольт до совсем малых, близких к нулю.
    Деление обычно происходит на осколки неравной массы. Осколки эти сильно радиоактивны, так как содержат избыточное количество нейтронов. В результате серии последовательных (3-распадов в конце концов получаются стабильные изотопы.
    В заключение отметим, что существует спонтанное деление ядер урана. Оно было открыто советскими физиками Г. Н. Флеровым и К- А. Петржаком в 1940 г. Период полураспада для спонтанного деления равен 10¦ь лет. Это в два миллиона раз больше периода полураспада при а-распаде урана.
    Деление атомных ядер тяжелых элементов возможно благодаря тому, что удельная энергия связи этих ядер меньше удельной энергии связи ядер элементов, находящихся в середине периодической системы Менделеева.

  3. спанч боб Ответить




    § 58. Деление ядер урана. Цепная реакция
    Деление ядер урана при бомбардировке их нейтронами было открыто в 1939 г. немецкими учёными Отто Ганом и Фрицем Штрассманом.

    Oттo Ган (1879-1968)
    Немецкий физик, учёный-новатор в области радиохимии. Открыл расщепление урана, ряд радиоактивных элементов

    Фриц Штрассман (1902—1980)
    Немецкий физик и химик. Работы относятся к ядерной химии, ядерному делению. Дал химическое доказательство процессу деления
    Рассмотрим механизм этого явления. На рисунке 162, а условно изображено ядро атома урана . Поглотив лишний нейтрон, ядро возбуждается и деформируется, приобретая вытянутую форму (рис. 162, б).

    Рис. 162. Процесс деления ядра урана под воздействием попавшего в него нейтрона
    Вы уже знаете, что в ядре действует два вида сил: электростатические силы отталкивания между протонами, стремящиеся разорвать ядро, и ядерные силы притяжения между всеми нуклонами, благодаря которым ядро не распадается. Но ядерные силы — короткодействующие, поэтому в вытянутом ядре они уже не могут удержать сильно удалённые друг от друга части ядра. Под действием электростатических сил отталкивания ядро разрывается на две части (рис. 162, в), которые разлетаются в разные стороны с огромной скоростью и излучают при этом 2—3 нейтрона.
    Получается, что часть внутренней энергии ядра переходит в кинетическую энергию разлетающихся осколков и частиц. Осколки быстро тормозятся в окружающей среде, в результате чего их кинетическая энергия преобразуется во внутреннюю энергию среды (т. е. в энергию взаимодействия и теплового движения составляющих её частиц).
    При одновременном делении большого количества ядер урана внутренняя энергия окружающей уран среды и соответственно её температура заметно возрастают (т. е. среда нагревается).
    Таким образом, реакция деления ядер урана идёт с выделением энергии в окружающую среду.
    Энергия, заключённая в ядрах атомов, колоссальна. Например, при полном делении всех ядер, имеющихся в 1 г урана, выделилось бы столько же энергии, сколько выделяется при сгорании 2,5 т нефти. Для преобразования внутренней энергии атомных ядер в электрическую на атомных электростанциях используют так называемые цепные реакции деления ядер.
    Рассмотрим механизм протекания цепной реакции деления ядра изотопа урана . Ядро атома урана (рис. 163) в результате захвата нейтрона разделилось на две части, излучив при этом три нейтрона. Два из этих нейтронов вызвали реакцию деления ещё двух ядер, при этом образовалось уже четыре нейтрона. Эти, в свою очередь, вызвали деление четырёх ядер, после чего образовалось девять нейтронов и т. д.
    Цепная реакция возможна благодаря тому, что при делении каждого ядра образуется 2—3 нейтрона, которые могут принять участие в делении других ядер.
    На рисунке 163 показана схема цепной реакции, при которой общее число свободных нейтронов в куске урана лавинообразно увеличивается со временем. Соответственно резко возрастает число делений ядер и энергия, выделяющаяся в единицу времени. Поэтому такая реакция носит взрывной характер (она протекает в атомной бомбе).

    Рис. 163. Цепная реакция деления ядер урана
    Возможен другой вариант, при котором число свободных нейтронов уменьшается со временем. В этом случае цепная реакция прекращается. Следовательно, такую реакцию тоже нельзя использовать для производства электроэнергии.
    В мирных целях возможно использовать энергию только такой цепной реакции, в которой число нейтронов не меняется с течением времени.
    Как же добиться того, чтобы число нейтронов всё время оставалось постоянным? Для решения этой проблемы нужно знать, какие факторы влияют на увеличение и на уменьшение общего числа свободных нейтронов в куске урана, в котором протекает цепная реакция.
    Одним из таких факторов является масса урана. Дело в том, что не каждый нейтрон, излучённый при делении ядра, вызывает деление других ядер (см. рис. 163). Если масса (и соответственно размеры) куска урана слишком мала, то многие нейтроны вылетят за его пределы, не успев встретить на своём пути ядро, вызвать его деление и породить таким образом новое поколение нейтронов, необходимых для продолжения реакции. В этом случае цепная реакция прекратится. Чтобы реакция не прекращалась, нужно увеличить массу урана до определённого значения, называемого критическим.
    Почему при увеличении массы цепная реакция становится возможной? Чем больше масса куска, тем больше его размеры и тем длиннее путь, который проходят в нём нейтроны. При этом вероятность встречи нейтронов с ядрами возрастает. Соответственно увеличивается число делений ядер и число излучаемых нейтронов.
    При критической массе урана число нейтронов, появившихся при делении ядер, становится равным числу потерянных нейтронов (т. е. захваченных ядрами без деления и вылетевших за пределы куска).
    Поэтому их общее число остаётся неизменным. При этом цепная реакция может идти длительное время, не прекращаясь и не приобретая взрывного характера.
    Наименьшая масса урана, при которой возможно протекание цепной реакции, называется критической массой
    Если масса урана больше критической, то в результате резкого увеличения числа свободных нейтронов цепная реакция приводит к взрыву, а если меньше критической, то реакция не протекает из-за недостатка свободных нейтронов.
    Уменьшить потерю нейтронов (которые вылетают из урана, не прореагировав с ядрами) можно не только за счет увеличения массы урана, но и с помощью специальной отражающей оболочки. Для этого кусок урана помещают в оболочку, сделанную из вещества, хорошо отражающего нейтроны (например, из бериллия). Отражаясь от этой оболочки, нейтроны возвращаются в уран и могут принять участие в делении ядер.
    Существует ещё несколько факторов, от которых зависит возможность протекания цепной реакции. Например, если кусок урана содержит слишком много примесей других химических элементов, то они поглощают большую часть нейтронов и реакция прекращается.
    Наличие в уране так называемого замедлителя нейтронов также влияет на ход реакции. Дело в том, что ядра урана-235 с наибольшей вероятностью делятся под действием медленных нейтронов. А при делении ядер образуются быстрые нейтроны. Если быстрые нейтроны замедлить, то большая их часть захватится ядрами урана-235 с последующим делением этих ядер. В качестве замедлителей используются такие вещества, как графит, вода, тяжёлая вода (в состав которой входит дейтерий — изотоп водорода с массовым числом 2), и некоторые другие. Эти вещества только замедляют нейтроны, почти не поглощая их.
    Таким образом, возможность протекания цепной реакции определяется массой урана, количеством примесей в нём, наличием оболочки и замедлителя и некоторыми другими факторами.
    Критическая масса шарообразного куска урана-235 приблизительно равна 50 кг. При этом его радиус составляет всего 9 см, поскольку уран имеет очень большую плотность.
    Применяя замедлитель и отражающую оболочку и уменьшая количество примесей, удаётся снизить критическую массу урана до 0,8 кг.

    Вопросы

    Почему деление ядра может начаться только тогда, когда оно деформируется под действием поглощённого им нейтрона?
    Что образуется в результате деления ядра?
    В какую энергию переходит часть внутренней энергии ядра при его делении; кинетическая энергия осколков ядра урана при их торможении в окружающей среде?
    Как идёт реакция деления ядер урана — с выделением энергии в окружающую среду или, наоборот, с поглощением энергии?
    Расскажите о механизме протекания цепной реакции, используя рисунок 163.
    Что называется критической массой урана?
    Возможно ли протекание цепной реакции, если масса урана меньше критической; больше критической? Почему?

  4. Dazer Ответить

    12. Деление ядер

    В 1934 г. Э. Ферми решил получить трансурановые
    элементы, облучая
    238U
    нейтронами. Идея Э. Ферми заключалась в том, что в результате
    ?–распада
    изотопа 239U
    образуется химический элемент с порядковым номером
    Z = 93.
    Однако идентифицировать образование 93-его элемента не удавалось. Вместо этого в
    результате радиохимического анализа радиоактивных элементов, выполненного О.Ганом и Ф.Штрассманом, было показано, что одним из продуктов облучения урана
    нейтронами является барий (Z = 56)
    – химический элемент среднего атомного веса, в то время как согласно
    предположению теории Ферми должны были получаться трансурановые элементы.
    Л. Мейтнер и О.
    Фриш высказали предположение, что в результате
    захвата нейтрона ядром урана происходит развал составного ядра на две части
    92U + n > 56Ba
    + 36Kr + xn.
    Процесс деления урана сопровождается появлением
    вторичных нейтронов (x > 1),
    способных вызвать деление других ядер урана, что открывает потенциальную
    возможность возникновения цепной реакции деления – один нейтрон может дать
    начало разветвленной цепи делений ядер урана. При этом число разделившихся ядер
    должно возрастать экспоненциально. Н. Бор и Дж. Уиллер рассчитали критическую
    энергию необходимую, чтобы ядро 236U,
    образовавшееся в результате захвата нейтрона изотопом
    235U,
    разделилось. Эта величина равна 6,2 МэВ, что меньше энергии возбуждения изотопа
    236U,
    образующегося при захвате теплового нейтрона
    235U.
    Поэтому при захвате тепловых нейтронов возможна цепная реакция деления
    235U.
    Для наиболее распространенного изотопа
    238U
    критическая энергия равна 5,9 МэВ, в то время как при захвате теплового нейтрона
    энергия возбуждения образовавшегося ядра
    239U
    составляет только 5,2 МэВ. Поэтому цепная реакция деления наиболее
    распространенного в природе изотопа
    238U
    под действием тепловых нейтронов оказывается невозможной. В одном акте деления
    высвобождается энергия ? 200 МэВ (для сравнения в химических реакциях горения в
    одном акте реакции выделяется энергия ? 10 эВ). Возможности создания условий для
    цепной реакции деления открыли перспективы использования энергии цепной реакции
    для создания атомных реакторов и атомного оружия. Первый ядерный реактор был
    построен Э.Ферми в США в 1942 г. В СССР первый ядерный реактор был запущен под
    руководством И.Курчатова в 1946 г. В 1954 г. в г. Обнинске начала работать
    первая в мире атомная электро­станция. В настоящее время электрическая энергия
    вырабатывается примерно в 440 ядерных реакторах в 30 странах мира.
    В 1940 г.
    Г.Флеров и К.Петржак открыли спонтанное деление урана. О сложности проведения
    эксперимента свидетельствуют следующие цифры. Парциальный период полураспада по
    отношению спонтанному делению изотопа 238U
    составляет 1016–1017
    лет, в то время как период распада изотопа
    238U
    составляет 4.5•109
    лет. Основным каналом распада изотопа
    238U
    является
    ?-распад.
    Для того, чтобы наблюдать спонтанное деление изотопа
    238U,
    нужно было регистрировать один акт деления на фоне 107–108
    актов
    ?-распада.
    Вероятность спонтанного деления в основном
    определяется проницаемостью барьера деления. Вероятность спонтанного деления
    увеличивается с увеличением заряда ядра, т.к. при этом увеличивается параметр
    деления
    Z2/A.
    В изотопах
    Z 100
    преобладает симметричное деление с образованием одинаковых по массе осколков. С
    увеличением заряда ядра доля спонтанного деления по сравнению с ?-распадом
    увеличивается.
    Изотоп
    Период полураспада
    Каналы распада
    235U
    7.04·108
    лет
    ?
    (100%),
    SF (7·10-9
    %)
    238U
    4.47·109
    лет
    ?
    (100%),
    SF (5.5·10-5
    %)
    240Pu
    6.56·103
    лет
    ?
    (100%),
    SF (5.7·10-6
    %)
    242Pu
    3.75·105
    лет
    ?
    (100%),
    SF (5.5·10-4
    %)
    246Cm
    4.76·103
    лет
    ?
    (99,97%),
    SF (0.03%)
    252Cf
    2.64
    лет
    ?
    (96,91%),
    SF (3.09%)
    254Cf
    60.5
    лет
    ?
    (0,31%),
    SF (99.69%)
    256Cf
    12.3
    лет
    ?
    (7.04·10-8
    %),
    SF (100%)
    Деление ядер. История

    1934 г.     ? Э. Ферми, облучая уран тепловыми нейтронами,
    обнаружил среди продуктов реакции радиоактивные ядра, природу которых установить
    не удалось.
    Л.
    Сциллард выдвинул идею цепной ядерной реакции.

    1939 г.     ? О. Ган и Ф. Штрассман обнаружили среди
    продуктов реакций барий.
    Л.
    Мейтнер и О. Фриш впервые объявили, что под действием нейтронов происходило
    деление урана на два сравнимых по массе осколка.
    Н. Бор и
    Дж. Уилер дали количественную интерпретацию деления ядра, введя параметр
    деления.
    Я.
    Френкель развил капельную теорию деления ядер медленными нейтронами.
    Л.
    Сциллард, Э. Вигнер, Э. Ферми, Дж. Уилер, Ф. Жолио-Кюри, Я. Зельдович, Ю.
    Харитон обосновали возможность протекания в уране цепной ядерной реакции
    деления.

    1940 г.     ? Г. Флеров и К. Петржак открыли явление
    спонтанного деления ядер урана U.

    1942 г.     ? Э. Ферми осуществил управляемую цепную реакцию
    деления в первом атомного реакторе.

    1945 г.     ? Первое испытание ядерного оружия (штат Невада,
    США). На японские города Хиросима (6 августа) и Нагасаки (9 августа)
    американскими войсками были сброшены атомные бомбы.

    1946 г.     ? Под руководством И.В. Курчатова был пущен
    первый в Европе реактор.

    1954 г.     ? Запущена первая в мире атомная электростанция
    (г. Обнинск, СССР).
    Деление ядер.
    С 1934 г. Э.Ферми стал применять нейтроны для
    бомбардировки атомов. С тех пор количество устойчивых или радиоактивных ядер,
    полученных путем искусственного превращения, возросло до многих сотен, и почти
    все места периодической системы заполнились изотопами.
    Атомы, возникающие во всех этих ядерных реак­циях,
    занимали в периодической системе то же место, что и бомбардированный атом, или
    соседние места. Поэтому произвело большую сенсацию доказательство Ганом и
    Штрассманом в 1938 г. того, что при обстреле нейтронами последнего элемента
    периодической системы     ? урана ? происходит распад на элементы, которые стоят в
    средних частях периодической системы. Здесь выступают различные виды распада.
    Возникаю­щие атомы в большинстве своем неустойчивы и тотчас же распадаются
    дальше; у некоторых время полурас­пада измеряется секундами, так что Ган должен
    был применить аналитический метод Кюри для продления такого быстрого процесса.
    Важно отметить, что стоя­щие перед ураном элементы, протактиний и торий, также
    обнаруживают подобный распад под действием нейтронов, хотя для того, чтобы
    распад начался, требуется более высокая энергия нейтронов, чем в случае урана.
    Наряду с этим в 1940 г. Г. Н. Флеров и К. А. Петржак обнаружили спонтанное
    расщепление уранового ядра с самым большим из известных до тех пор периодом
    полураспада: около 2    ·1015
    лет; этот факт становится явным благодаря освобождающимся при этом нейтронам.
    Так явилась возможность понять, почему «естественная» периодическая система
    заканчивается тремя названными элементами. Теперь стали известны трансурановые
    элементы, но они настолько неустойчивы, что быстро распадаются.
    Расщепление урана посредством нейтронов дает те­перь возможность
    того использования атомной энер­гии, которое уже многим мерещилось, как «мечта
    Жюля Верна».
    М. Лауэ, «История физики»
    1939 г. О. Ган и Ф. Штрассман, облучая соли урана
    тепловыми нейтронами, обнаружили среди продуктов реакции барий (Z
    = 56)


    Отто Ганн
    (1879
    – 1968)
    Деление ядер – расщепление ядра на два (реже три) ядра с близкими массами,
    которые называют осколками деления. При делении возникают и другие частицы –
    нейтроны, электроны,
    ?-частицы.
    В результате деления высвобождается энергия ~200 МэВ. Деление может быть
    спонтанным либо вынужденным под действием других частиц, чаще всего нейтронов.
    Характерной особенностью деления является то, что осколки деления, как правило,
    существенно различаются по массам, т. е. преобладает асимметричное деление. Так,
    в случае наиболее вероятного деления изотопа урана
    236U,
    отношение масс осколков равно 1.46. Тяжёлый осколок имеет при этом массовое
    число 139 (ксенон), а легкий – 95 (стронций). С учётом испускания двух
    мгновенных нейтронов рассматриваемая реакция деления имеет вид


    Нобелевская премия по химии
    1944 г.
    – О. Ган.
    За открытие реакции деления ядер урана нейтронами.
    Осколки деления

    Зависимость средних масс легкой и тяжелой групп осколков от массы делящегося
    ядра.
    Открытие деления ядер.
    1939 г.
    Я приехал в Швецию, где Лизе Мейтнер страдала от
    одиночества, и я, как преданный племянник, решил навестить ее на рождество. Она
    жила в маленьком отеле Кунгэльв около Гетеборга. Я застал ее за завтраком. Она
    обдумывала письмо, только что полученное ею от Гана. Я был весьма скептически
    настроен относительно содержания письма, в котором сообщалось об образовании
    бария при облучении урана нейтронами. Однако ее привлекла такая возможность. Мы
    гуляли по снегу, она пешком, я на лыжах (она сказала, что может проделать этот
    путь, не отстав от меня, и доказала это). К концу прогулки мы уже могли
    сформулировать некоторые выводы; ядро не раскалывалось, и от него не отлетали
    куски, а это был процесс, скорее напоминавший капельную модель ядра Бора;
    подобно капле ядро могло удлиняться и делиться. Затем я исследовал, каким
    образом электрический заряд нуклонов уменьшает поверхностное натяжение, которое,
    как мне удалось установить, падает до нуля при
    Z
    = 100 и, возможно, весьма мало для урана. Лизе
    Мейтнер занималась определением энергии, выделяющейся при каждом распаде из-за
    дефекта массы. Она очень ясно представляла себе кривую дефекта масс. Оказалось,
    что за счет электростатического отталкивания элементы деления приобрели бы
    энергию около 200 МэВ,
    а это как раз соответствовало энергии, связанной с
    дефектом массы. Поэтому процесс мог идти чисто классически без привлечения
    понятия прохождения через потенциальный барьер, которое, конечно, оказалось бы
    тут бесполезным.
    Мы провели вместе два или три дня на рождество. Затем я вернулся
    в Копенгаген и едва успел сообщить Бору о нашей идее в тот самый момент, когда
    он уже садился на пароход, отправляющийся в США. Я помню, как он хлопнул себя по
    лбу, едва я начал говорить, и воскликнул: «О, какие мы были дураки! Мы должны
    были заметить это раньше». Но он не заметил, и никто не заметил.
    Мы с Лизе Мейтнер написали статью. При этом мы постоянно
    поддерживали связь по междугородному телефону Копенгаген – Стокгольм.
    О. Фриш, Воспоминания. УФН. 1968. Т. 96, вып.4, с. 697.
    Спонтанное деление ядер
    В описанных ниже опытах мы использовали метод,
    впервые предложенный Фришем для регистрации процессов деления ядер.
    Ионизационная камера с пластинами, покрытыми слоем окиси урана, соединяется с
    линейным усилителем, настроенным таким образом, что ? частицы, вылетающие из
    урана, не регистрируются системой; импульсы же от осколков, намного превышающие
    по величине импульсы от ?-частиц, отпирают выходной тиратрон и считаются
    механическим реле.
    Была специально сконструирована ионизационная
    камера в виде многослойного плоского конденсатора с общей площадью 15 пластин в
    1000 см. Пластины, расположенные друг от друга на расстоянии 3 мм, были покрыты
    слоем окиси урана 10-20 мг/см    2.
    В первых же опытах с настроенным для счета осколков
    усилителем удалось наблюдать самопроизвольные (в отсутствие источника нейтронов)
    импульсы на реле и осциллографе. Число этих импульсов было невелико (6 в 1
    час), и вполне понятно поэтому, что это явление не могло наблю­даться с камерами
    обычного типа…
    Мы склонны думать, что
    наблюдаемый нами эффект следует приписать осколкам, получающимся
    в результате спонтанного деления урана…
    Спонтанное деление следует приписать одному из
    невозбужденных изотопов U
    с периодами полураспада, полученными из оценки наших результатов:
    U238
    – 10    16
    ~ 10    17
    лет,
    U    235
    – 10    14
    ~ 10    15
    лет,
    U    234
    – 10    12
    ~ 10    13
    лет.
    К.А. Петржак, Г.Н. Флеров.
    Опубликовано: ЖЭТФ. 1940. Т. 10. С. 1013.
    Распад изотопа 238U

    Изотоп
    Процентное
    содержание
    в естественной смеси
    Период полураспада
    234U
    0.0054%
    2.4·105
    лет
    235U
    0.72%
    7.04·108
    лет
    238U
    99.27%
    4.47·109
    лет
    Спонтанное деление ядер

    Периоды полураспада спонтанно делящихся изотопов
    Z = 92 – 100

    Первая экспериментальная система с уран-графитовой
    решёткой была построена в 1941 г. под руководством Э. Ферми. Она представляла
    собой графитовый куб с ребром длиной 2,5 м, содержащий около 7 т окиси урана,
    заключенной в железные сосуды, которые были размещены в кубе на одинаковых
    расстояниях друг от друга. На дне уран-графитовой решётки был помещён
    RaBe
    источник нейтронов. Коэффициент размножения в такой системе был ? 0.7.
    Окись урана содержала от 2 до 5% примесей. Дальнейшие усилия были направлены на
    получение более чистых материалов и к маю 1942 г. была получены окись урана, в
    которой примесь составляла меньше 1%. Чтобы обеспечить цепную реакцию деления,
    было необходимо использовать большое количество графита и урана – порядка
    нескольких тонн. Примеси должны были составлять меньше нескольких миллионных
    долей. Реактор, собранный к концу 1942 г. Ферми в Чикагском университете, имел
    форму срезанного сверху неполного сфероида. Он содержал 40 т урана и 385 т
    графита. Вечером 2 декабря 1942 г. после того, как были убраны стержни
    нейтронного поглотителя, было обнаружено, что внутри реактора происходит цепная
    ядерная реакция. Измеренный коэффициент составлял 1.0006. Вначале реактор
    работал на уровне мощности 0.5 Вт. К 12 декабря его мощность была увеличена до
    200 Вт. В дальнейшем реактор был перенесен в более безопасное место, и мощность
    его была повышена до нескольких кВт. При этом реактор потреблял 0.002 г
    урана-235 в день.
    Первый ядерный реактор в СССР
    Здание для первого в СССР исследовательского ядерного реактора Ф-1
    было готово к июню 1946 г.
    После того как были проведены все необходимые эксперименты,
    раз­работана система управления и защиты реактора, установлены размеры реактора,
    проведены все необходимые опыты с моделями реактора, определена плотность
    нейтронов на нескольких моделях, получены графитовые блоки (так называемой
    ядерной чистоты) и (после нейтронно-физической проверки) урановые блочки, в
    ноябре 1946 г. приступили к сооружению реактора Ф-1.
    Общий радиус реактора был 3,8 м. Для него
    потребовалось 400 т графита и 45 т урана. Реактор собирали слоями и в 15 ч 25
    декабря 1946 г. был собран последний, 62-й слой. После извлечения так называемых
    аварийных стержней был произведен подъем регулирующего стержня, начался отсчет
    плотности нейтронов, и в 18 ч 25 декабря 1946 г. ожил, заработал первый в СССР
    реактор. Это была волнующая победа ученых — создателей ядерного реактора и
    всего советского народа. А через полтора года, 10 июня 1948 г., промышленный
    реактор с водой в каналах достиг критического состояния и вскоре началось
    промышленное производство нового вида ядерного горючего ? плутония.



  5. Kaziramar Ответить

    6. Осколки деления

    Характерной особенностью деления
    является то, что осколки, образующиеся в
    результате деления, как правило, имеют
    существенно разные массы. В случае наиболее
    вероятного деления 235U отношение масс
    осколков равно 1.46. Тяжелый осколок при этом имеет
    массовое число 139, легкий – 95. Деление на два
    осколка с такими массами не является единственно
    возможным. Распределение по массам осколков
    деления 235U тепловыми нейтронами показано
    на рис. 8. Среди продуктов деления были обнаружены
    осколки с А = 72-161 и Z = 30-65. Вероятность
    деления на два равных по массе осколка не равна
    нулю. При делении тепловыми нейтронами
    вероятность симметричного деления примерно на
    три порядка меньше, чем в случае наиболее
    вероятного деления на осколки с A = 139 и 95.
    Капельная модель не исключает возможности
    асимметричного деления, однако, даже качественно
    не объясняет основных закономерностей такого
    деления. Асимметричное деление можно объяснить
    влиянием оболочечной структуры ядра. Ядро
    стремится разделиться таким образом, чтобы
    основная часть нуклонов осколка образовала
    устойчивый магический остов.
    В процессе деления основная часть
    энергии освобождается в виде кинетической
    энергии осколков деления. Такой вывод можно
    сделать из того, что кулоновская энергия двух
    соприкасающихся осколков приблизительно равна
    энергии деления. Под действием электрических сил
    отталкивания кулоновская энергия осколков
    переходит в кинетическую энергию.


    Рис.8. Массовое распределение
    осколков деления 235U тепловыми нейтронами
    Рис. 9. Распределение по энергии осколков деления 235U тепловыми
    нейтронами
    Между кинетическими энергиями E осколков и их
    массами M существует следующее соотношение,
    вытекающее из закона сохранения импульса:

  6. Felomeena Ответить

    Делиться на части могут только ядра некоторых тяжелых элементов. При делении ядер испускаются два-три нейтрона и γ-лучи. Одновременно выделяется большая энергия.
    Открытие деления урана. Деление ядер урана было открыто в 1938 г. немецкими учеными О. Ганом и Ф. Штрассманом. Они установили, что при бомбардировке урана нейтронами возникают элементы средней части периодической системы: барий, криптон и др. Однако правильное истолкование этого факта именно как деления ядра урана, захватившего нейтрон, было дано в начале 1939 г. английским физиком О. Фришем совместно с австрийским физиком Л. Мейтнер.
    Захват нейтрона нарушает стабильность ядра. Ядро возбуждается и становится неустойчивым, что приводит к его делению на осколки. Деление ядра возможно потому, что масса покоя тяжелого ядра больше суммы масс покоя осколков, возникающих при делении. Поэтому происходит выделение энергии, эквивалентной уменьшению массы покоя, сопровождающему деление.
    Возможность деления тяжелых ядер можно также объяснить с помощью графика зависимости удельной энергии связи от массового числа Л (см. рис. 13.11). Удельная энергия связи ядер атомов элементов, занимающих в периодической системе последние места (А ≈ 200), примерно на 1 МэВ меньше удельной энергии связи в ядрах элементов, находящихся в середине периодической системы (А ≈ 100). Поэтому процесс деления тяжелых ядер на ядра элементов средней части периодической системы является энергетически выгодным. Система после деления переходит в состояние с минимальной внутренней энергией. Ведь, чем больше энергия связи ядра, тем большая энергия должна выделяться при возникновении ядра и, следовательно, тем меньше внутренняя энергия образовавшейся вновь системы.

    При делении ядра энергия связи, приходящаяся на каждый нуклон, увеличивается на 1 МэВ и общая выделяющаяся энергия должна быть огромной — порядка 200 МэВ. Ни при какой другой ядерной реакции (не связанной с делением) столь больших энергий не выделяется.
    Непосредственные измерения энергии, выделяющейся при делении ядра урана подтвердили приведенные соображения и дали значение ≈200 МэВ. Причем большая часть этой энергии (168 МэВ) приходится на кинетическую энергию осколков. На рисунке 13.13 вы видите треки осколков делящегося урана в камере Вильсона.
    Выделяющаяся при делении ядра энергия имеет электростатическое, а не ядерное происхождение. Большая кинетическая энергия, которую имеют осколки, возникает вследствие их кулоновского отталкивания.
    Механизм деления ядра. Процесс деления атомного ядра можно объяснить на основе капельной модели ядра. Согласно этой модели сгусток нуклонов напоминает капельку заряженной жидкости (рис. 13.14, а). Ядерные силы между нуклонами являются короткодействующими, подобно силам, действующим между молекулами жидкости. Наряду с большими силами электростатического отталкивания между протонами, стремящимися разорвать ядро на части, действуют еще бо?льшие ядерные силы притяжения. Эти силы удерживают ядро от распада.

    Ядро урана-235 имеет форму шара. Поглотив лишний нейтрон, оно возбуждается и начинает деформироваться, приобретая вытянутую форму (рис. 13.14, б). Ядро будет растягиваться до тех пор, пока силы отталкивания между половинками вытянутого ядра не начнут преобладать над силами притяжения, действующими в перешейке (рис. 13.14, в). После этого оно разрывается на две части (рис. 13.14, г). Под действием кулоновских сил отталкивания эти осколки разлетаются со скоростью, равной 1/30 скорости света.
    Испускание нейтронов в процессе деления. Фундаментальный факт ядерного деления — испускание в процессе деления двух-трех нейтронов. Именно благодаря этому оказалось возможным практическое использование внутриядерной энергии.
    Понять, почему происходит испускание свободных нейтронов, можно исходя из следующих соображений. Известно, что отношение числа нейтронов к числу протонов в стабильных ядрах возрастает с повышением атомного номера. Поэтому у возникающих при делении осколков относительное число нейтронов оказывается большим, чем это допустимо для ядер атомов, находящихся в середине таблицы Менделеева. В результате несколько нейтронов освобождается в процессе деления. Их энергия имеет различные значения — от нескольких миллионов электрон-вольт до совсем малых, близких к нулю.
    Деление обычно происходит на осколки, массы которых отличаются примерно в 1,5 раза. Осколки эти сильно радиоактивны, так как содержат избыточное количество нейтронов. В результате серии последовательных β-распадов в конце концов получаются стабильные изотопы.
    В заключение отметим, что существует также спонтанное деление ядер урана. Оно было открыто советскими физиками Г. Н. Флеровым и К. А. Петржаком в 1940 г. Период полураспада для спонтанного деления равен 1016 лет. Это в два миллиона раз больше периода полураспада при α-распаде урана.
    Реакция деления ядер сопровождается выделением энергии.

Добавить ответ

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *