Фізика і астрономія. Рівень стандарту. 11 клас. Сиротюк

§ 46. Ядерні реакції. Ланцюгова реакція поділу ядер Урану

Попередньо ми з’ясували, що внаслідок взаємодії частинок відбуваються реакції, які отримали назву ядерних.

Зміну атомних ядер унаслідок їхньої взаємодії з елементарними частинками і між собою називають ядерною реакцією.

Ядерні реакції відбуваються тоді, коли частинки впритул наближаються до ядра і потрапляють у сферу дії ядерних сил. Однойменно заряджені частинки взаємно відштовхуються. Тому зближення позитивно заряджених частинок з ядрами (чи ядер між собою) можливе, якщо цим частинкам (або ядрам) надати великої кінетичної енергії. Таку енергію надають протонам, дейтронам, α-частинкам та іншим важчим ядрам за допомогою прискорювачів елементарних частинок та йонів. Для здійснення ядерних реакцій вони ефективніші, ніж α-частинки, що їх випромінюють природні радіоактивні елементи. Їм можна надати значно більшої енергії (порядку 105 МеВ), ніж та, яку мають α-частинки (максимально 9 МеВ). Можна використати також протони, які не з’являються в процесі радіоактивного розпаду. А також можна прискорити ядра, важчі, ніж ядра Гелію.

Першу штучну ядерну реакцію здійснив Резерфорд, «бомбардуючи» ядра Нітрогену α-частинками. Вона мала такий вигляд: 147Ν + 42Не → 178O + 11Н.

Перше перетворення атомних ядер за допомогою протонів великої енергії, добутих на прискорювачі, було здійснено в 1932 р., коли вдалося розщепити Літій на дві α-частинки: 73Li + 11Н → 42He + 42Не.

Як видно на фотографії треків у камері Вільсона (мал. 3.24), ядра Гелію розлітаються в різні боки вздовж однієї прямої відповідно до закону збереження імпульсу (імпульс протона значно менший від імпульсів α-частинок, що виникають).

Мал. 3.24

У розглянутій ядерній реакції кінетична енергія двох утворених ядер Гелію виявилася більшою на 7,3 МеВ від кінетичної енергії протона, який вступив у реакцію. Перетворення ядер супроводжується зміною їхньої внутрішньої енергії (енергія зв’язку). У реакції питома енергія зв’язку в ядрах Гелію більша від питомої енергії зв’язку в ядрі Літію. Тому частина внутрішньої енергії ядра Літію перетворюється в кінетичну енергію α-частинок, які розлітаються. Зміна енергії зв’язку ядер означає, що сумарна енергія спокою частинок і ядер, які беруть участь у реакціях, не залишається сталою. Адже енергія спокою ядра Мяс2 відповідно до формули Eзв = Mc2 = (Zmп + Nmн - Мя2 виражається через енергію зв’язку. За законом збереження енергії зміна кінетичної енергії в процесі ядерної реакції дорівнює зміні енергії спокою ядер і частинок, які беруть участь у реакції.

Енергетичним виходом ядерної реакції називають різницю енергій спокою ядер і частинок до реакції і після реакції.

Отже, енергетичний вихід ядерної реакції дорівнює також зміні кінетичної енергії частинок, що беруть участь у реакції.

Відкриття нейтрона було поворотним пунктом у дослідженні ядерних реакцій. Оскільки нейтрони не мають заряду, то вони без перешкод проникають в атомні ядра і спричинюють їхнє перетворення.

Наприклад, спостерігається така реакція: 2713Аl + 10n → 2411Na + 42He.

Відомий італійський фізик Енріко Фермі (1901-1954), який перший почав вивчати реакції, що спричиняються нейтронами, виявив таке: ядерні перетворення зумовлюються навіть повільними нейтронами.

Причому ці повільні нейтрони здебільшого навіть ефективніші, ніж швидкі. Тому швидкі нейтрони доцільно спочатку сповільнювати. Сповільнюються нейтрони до теплових швидкостей у звичайній воді. Цей ефект пояснюється тим, що у воді є багато ядер Гідрогену — протонів, маса яких майже дорівнює масі нейтронів. А під час зіткнення куль однакової маси найінтенсивніше передається кінетична енергія. Під час центрального зіткнення нейтрона з протоном, що перебуває в стані спокою, він повністю передає протону свою кінетичну енергію.

Поділ атомних ядер — це особливий вид ядерних реакцій, коли ядро важкого елемента ділиться на дві частини, одночасно випромінюючи два-три нейтрони, γ-промені та значну кількість енергії. Це дає можливість здійснити ланцюгову ядерну реакцію.

Поділ ядер Урану відкрили в 1938 р. німецькі вчені Отто Ган (1879-1968) і Фріц Штрассман (1902-1980). Вони встановили, що під час бомбардування Урану нейтронами виникають елементи середньої частини Періодичної системи: Барій, Криптон та ін. Проте правильно пояснили цей факт — як поділ ядра Урану, яке захопило нейтрон, — англійський фізик Отто Фріш (1904-1979) і австрійський фізик Ліза Мейтнер (1878-1968) у 1939 р. Вони вважали, що ядро Урану, захопивши повільний нейтрон, перетворюється в ядро радіоактивного ізотопу Урану , яке розпадається на дві приблизно рівні частини X і Y, при цьому виділяється кілька нейтронів. Реакція відбувається за схемою:

23592U + 10n → 23692U → X + Y + нейтрони.

Процес поділу атомного ядра можна пояснити за допомогою краплинної моделі ядра. За цією моделлю згусток нуклонів має нагадувати краплину зарядженої рідини (мал. 3.25, а). Ядерні сили між нуклонами короткодіючі, подібно до сил, що діють між молекулами рідини. Одночасно з великими силами електростатичного відштовхування між протонами, які намагаються розірвати ядро на частини, діють ще більші ядерні сили притягання. Ці сили не дають ядру розпастися.

Мал. 3.25

Ядро Урану має форму кулі. Захопивши зайвий нейтрон, ядро збуджується і починає деформуватися, набуваючи витягнутої форми (мал. 3.25, б). Ядро розтягується, доки сили відштовхування між кінцями витягнутого ядра не переважатимуть сили зчеплення, які діють на перешийку (мал. 3.25, в). Розтягуючись дедалі дужче, ядро розривається на дві частини (мал. 3.25, г). Під дією кулонівських сил відштовхування ці частини, чи уламки, розлітаються зі швидкістю, що дорівнює 1/30 швидкості поширення світла.

Більш пізні дослідження показали, що внаслідок бомбардування ядер Урану нейтронами можуть утворюватися уламки 80 «сортів». Причому найвірогіднішим виявляється поділ на уламки, маси яких відносяться приблизно як 2 : 3.

Одна з можливих реакцій поділу Урану відбувається за схемою:

23592U + 10n → 23692U → 14058Се + 9440Zr + 6β + 210n.

Енергетичний вихід такої реакції становить 208 МеВ. Енергія, яка виділяється при одному акті горіння Гідрогену в Оксигені, дорівнює 10 еВ.

Отже, реакція поділу ядер Урану відбувається з виділенням енергії. Ця енергія розповсюджується уламками та нейтронами у вигляді їхньої кінетичної енергії, а також випромінюванням під час супроводу цієї реакції.

ЗАПИТАННЯ ДО ВИВЧЕНОГО

  • 1. Що таке ядерна реакція?
  • 2. Які ядерні реакції було проведено вперше?
  • 3. Що таке енергетичний вихід ядерної реакції?
  • 4. У чому полягає основна відмінність ядерних реакцій на нейтронах від ядерних реакцій, спричинених зарядженими частинками?
  • 5. Що таке ланцюгова ядерна реакція?
  • 6. Хто відкрив і пояснив поділ ядер Урану?
  • 7. Які елементи утворюються під час поділу ядер Урану?
  • 8. Яка енергія виділяється під час поділу ядер Урану?