Нейтрона в 1932 году Джеймс Чедвик

Деление ядер[править | править код]
Основная статья: Деление ядра

Типичное распределение масс осколков деления. График представлен для урана-235.
Э. Ферми после открытия нейтрона провёл серию экспериментов, в которых различные ядра бомбардировались этими новыми частицами. В этих экспериментах обнаружено, что нейтроны низкой энергии часто поглощаются ядром с испусканием фотона (так называемый радиоактивный захват нейтрона).
Чтобы исследовать эту реакцию, эксперимент систематически повторялся для всех элементов периодической таблицы. В результате были обнаружены новые радиоактивные изотопы элементов, служивших мишенями. Однако при облучении урана был обнаружен ряд других, лёгких элементов. Лиза Мейтнер, Отто Ган и Фриц Штрассман смогли это объяснить, предположив, что ядро урана при захвате нейтрона разделится на две примерно равные массы. Действительно, в продуктах реакции был обнаружен барий с атомной массой около половины массы урана. Позже было обнаружено, что это деление происходило не во всех изотопах урана, но только в ²³⁵U. А ещё позже стало известно, что это деление может привести к множеству различных элементов, распределение которых по массе напоминает двойной горб верблюда.

Схема деления ²³⁵U. Низкоскоростной (тепловой) нейтрон, захваченный ядром урана, дестабилизирует его, и оно делится на две части, а также испускает 2-3 (в среднем 2,5) нейтрона деления.
При делении урана тепловым нейтроном возникает не только два более лёгких ядра (осколка деления), но также излучаются 2 или 3 (в среднем 2,5 для ²³⁵U) нейтрона, имеющие высокую кинетическую энергию. Для урана, как тяжёлого ядра, не выполняется соотношение N ≈ Z (равное число протонов и нейтронов), которое имеет место для более лёгких элементов, так что продукты деления нейтронно-избыточны. В результате эти продукты деления оказываются бета-радиоактивными: избыточные нейтроны ядра постепенно превращаются в протоны (с испусканием бета-частиц), а само ядро, сохраняя массовое число, движется по изобарической цепочке к ближайшему на ней бета-стабильному ядру. Деление ²³⁵U может произойти в более чем 40 вариантах, что порождает более 80 различных продуктов деления, которые, в свою очередь, распадаясь, формируют цепочки распада, так что в конечном счёте продукты деления урана включают около 200 нуклидов (непосредственно или как дочерние нуклиды).
Энергия, выделяющаяся при делении каждого ядра ²³⁵U, составляет в среднем около 200 МэВ. Минералы, используемые для добычи урана, содержат, как правило, около 1 г на кг урановой руды (настуран, например). Поскольку изотопное содержание ²³⁵U в природном уране всего 0,7 %, получаем, что на каждый килограмм добытой руды будет приходиться 1,8·10¹⁹ атомов ²³⁵U. Если все эти атомы ²³⁵U из 1 грамма урана поделятся, то выделится 3,6·10²⁷ эВ = 5,8·10⁸ Дж энергии. Для сравнения, при сжигании 1 кг угля наилучшего качества (антрацит) выделяется энергия около 4·10⁷ Дж энергии, то есть для получения ядерной энергии, содержащейся в 1 кг природного урана, необходимо сжечь более 10 тонн антрацита.
Появление 2,5 нейтрона на акт деления позволяет осуществить цепную реакцию, если из этих 2,5 нейтрона как минимум один сможет произвести новое деление ядра урана. Обычно испускаемые нейтроны не делят ядра урана сразу же, но сначала должны быть замедлены до тепловых скоростей (2200 м/с при T=300 K). Замедление достигается наиболее эффективно с помощью окружающих атомов другого элемента с малым A, например водорода, углерода и т. п. материала, называемого замедлителем.
Некоторые другие ядра также могут делиться при захвате медленных нейтронов, например ²³³U или ²³⁹Pu. Однако возможно также деление быстрыми нейтронами (высокой энергии) таких ядер как ²³⁸U (его в 140 раз больше, чем ²³⁵U) или ²³²Th (его в земной коре в 400 раз больше, чем ²³⁵U).
Элементарная теория деления была создана Нильсом Бором и Дж. Уилером с использованием капельной модели ядра.
Деление ядер также может быть достигнуто с помощью быстрых альфа-частиц, протонов или дейтронов. Однако эти частицы, в отличие от нейтронов, должны иметь большую энергию для преодоления кулоновского барьера ядра.
Высвобождение ядерной энергии[править | править код]
Известны экзотермические ядерные реакции, высвобождающие ядерную энергию.
Обычно для получения ядерной энергии используют цепную ядерную реакцию деления ядер урана-235 или плутония, реже других тяжёлых ядер (уран-238, торий-232). 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.
Другим способом высвобождения ядерной энергии является термоядерный синтез. При этом два ядра лёгких элементов соединяются в одно тяжёлое. В природе такие процессы происходят на Солнце и в других звёздах, являясь основным источником их энергии.
Многие атомные ядра являются неустойчивыми. С течением времени часть таких ядер самопроизвольно превращается в другие ядра, высвобождая энергию. Такое явление называют радиоактивным распадом.
Применение ядерной энергии[править | править код]

Ядерный взрыв.
Первый в мире атомный ледокол «Ленин».

Установленная мощность (синяя линия) и годовое производство энергии (красная линия) ядерными электростанциями с 1980 по 2012 гг.