«Ядерные превращения. Деление ядер»

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 = E_св/c² = Zm_p + Nm_n - M_яд (Z, N) ,

где М_яд (Z, N) - масса ядра, имеющего Z протонов и N нейтронов, а m_p и m_n - 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.