Atom yadrosining kashf etilishi

Yadroning bo’linishi. Zanjir reaksiya. Yadro reaksiyalarini o'rganish va shu maqsadda о tkazilgan juda ko’p tajribalar fan uchun g'oyat qimmatli natijalar berdi. Shulardan biri, og’ir atom yadrolarini, masalan, uran ⁹²U₃₅ yadrosini neytronlar bilan bombardimon qilganda, neytronlarning yutilishi, neytronlarning uchib chiqishi bilan yangi yadrolarning hosil bo'lish reaksiyalari katta ahamiyatga ega.
Daniyalik fiziklar L. Mayer va O. Frish bu yangi element yadrolarining hosil bo’lishini uran yadrolarining taxminan teng ikki qismga bo'linishi deb tushundilar. Bu hodisani yadroning bo'linishi deb hosil bo'lgan yadroni esa bo'linish parchalari deb atadilar. Yadro bo'linishi reaksiyasining bo'lish ehtimolligi neytronlarning energiyasiga bog'liqdir.
Neytronlarning energiyasi (0-l0) MeV oraliqda yotadi, ularning ko’pchiligi (1-2) MeV enetgiyaga ega bo'ladi. Energiyasi l,5MeV dan katta bo'lgan neytronlarga tez neytronlar, energiyasi l,5MeV dan kichik bo’lgan neytronlarga sekin neytronlar va energiyasi 0,025MeV bo'lgan neytronlarga esa issiq neytronlar deyiladi.
Misol uchun uran yadrosining bo'linish reaksiyasini korib chiqaylik. Uran ⁹²U₂₃₅ yadrosi sekin neytron bilan bombardimon qilinganda, yadrosidan uchta neytron chiqib, kripton ³⁶Kg₉₃ va bariy ⁵⁶Ba₁₄₀ izotoplarining yadrolari hosil bo'ladi va 200 MeV energiya ajralib chiqadi, ya'ni:
(1)
Tekshirishlardan malum bo'ldiki, uran izotropi faqat sekin neytron balan bo'linishi, og’irroq izotopi esa neytronni yutib qolishini va bo'linmasligi aniqlandi.
yadrolari ham bo'linar ekan, buning uchun neytronning energiya 1,5 MeV dan katta bo'lgan, tez neytronlar kerak ekan. Yadroning bo'linish reakstyasida ikki yoki uch neytron uchib chiqqan hol muhim ahamiyatga ega, chunki bu neytronlar uran massasida o'z-o'zidan davom etadigan reaksiyani amalga oshirishga imkoniyat yaratib beradi.
Haqiqatan ham, uran ⁹²U₂₃₅ yadrosining bo'linishidan ajralib chiqqan 2-3 ta neytronlarning har biri uranning yadrosini parchalaydi, bunda har bir parchalanishdan yana 2 - 3 ta neytron ajralib chiqadi, bu neytronlar ham yadroning bo'linishiga va yangi neytronlarning ajralib chiqishiga sababchi bo'ladi va hокаzо. Shu tariqa bo'linayotgan yadrolar va buning natijasida vujudga keladigan neytronlar soni geometrik progreseiya bo'yicha o'sa boradi. Binobarin, yadrolarning o'z-o'zidan rivojlantiruvchi bo'lintiish reaksiyasiga zanjir reaksiya deyiladi. Uran ₉₂U²³⁵ yadrosida zanjir reaksiyaning bo’lishi ushbu rasmda tasvirlangan.
Yadroning zanjir reaksiyasida aktiv ishtirok qiluvchi neytronlar sonini kamaytiruvchi real sabablar ham mavjuddir.
Zanjir reaksiyaning borishi yoki kuchayishi neytronlarning ko'payish koeffitsiyenti К bilan xarakterlanadi. Bu koeffitsiyent reaksiyaning birorta bosqichida yadroning bo'linishidan hosil bo’lgan neytronlar soni N_t ning bundan oldingi bosqichdagi neytronlar soni N_t-1 ga nisbati bilan o'lchanadi:
(2)
Agaf K<1 bo’lsa. ikkilamchi neytronlar soni birlamchi neytronlar sonidan kamayib boradi, tashqi neytronlar manbaisiz bo’linish reaksiyasi tez so’nib qoladi.
Agar K>1 bo’lsa, bo’linish reaksiyasi bir xil darajada saqlanadi. Zanjir reaksiyasi o’z-o’zidan quvvatlanuvchi, bunday rejimga kritik rejim deb ataladi. Kritik rejim yadro reaktorida hosil qilinadi.
Agar K>1 bo’lsa, zanjir reaksiya boshqarib bo’lmaydigan darajada avj oladi va portlash ro’y beradi, Portlashda juda ko’p miqdorda energiya ajraiadi va atrof-muhitning temperaturasi o'n million gradusgacha ko’tariladi. Atom bomba portlagnida shunday zanjir reaksiya sodir bo’ladi.
Bitta ₉₂U²³⁵ uran yadrosi bo’linganda 200 MeV energiya ajralsa, u holda m=l r urandagi 2,l 10²¹ ta yadro bo’linganda 8,31 10¹⁰ J ta yaqin energiya ajraladi, bu esa 3 tonna toshko’mir yoqqanda ajraladigan energiyaga tengdir.
Bolinish zanjir reyaksiyasini amalga oshirish mumkin bo’lgan moddalarga yadro yoqilg’i yoki portlovchi materiallar deb ataladi. ₉₂U²³⁵,₉₂U²³³,₉₂U²³⁹ izotoplar yadro yoqilg’ilardir.
Parchalanuvchi materiallardan faqat ₉₂U²³⁵ gina tabiatda mavjud bo’lib, boshqa ikkitasi ₉₂U²³³ va ₉₂U²³⁹ esa sun'iy ravishda olinadi.
Neytronlarning ko’payish koeffitsiyenti bo’linayotgan moddaning tabiatiga va massasiga hamda egallagan hajmining geometrik shakligabog’liqdir.
Har qaysi yadro yoqilg’i uchun K = 1 bo’lgandagi bo’linish zanjir reaksiyasi sodir bo’ladigan modda massasiga kritik massa deyiladi.
Quyidagi jadvalga shar shaklidagi yadro yoqilg’ilarining kritik massalari va kritik o’lchami (radiusi) keltirilgan.
Yadro yoqilg’sining kritik massasi va kritik o’lchami.
Kritik massanmg kattaligi ko’pgina faktorlarga, jumladan, shakliga bog’lq: shar shaklidagi yadro yoqilg’ining sirti eng kichik bo’lib, sirtdan sochiladigan neytronlar soni ham eng kam bo’ladi. Bunda neytronlarni qaytaruvchi qobiqlardan foydalanish mumkin. Bunday vositalar yordamida uran 92U233 ning kritik massasi mkr 0,25 kg gacha kamaytirish mumkin.