Образовака🌡️ Физика9 классСтроение атома и атомного ядра. использование энергии атомных ядер

Деление ядра атома урана

4.4

Средняя оценка: 4.4

Всего получено оценок: 152.

Ядерная реакция, имеющее наибольшее значение для энергетики – это деление ядер урана. Рассмотрим особенности этой реакции подробнее.

Открытие деления ядер урана

Большинство природных радиоактивных элементов сильно распылено. Поэтому добыча весовых количеств этих элементов уже представляет собой сложности. Изучение продуктов распада еще труднее, поскольку все природные радиоактивные элементы имеют длительные периоды полураспада, и получение весовых количеств веществ, пригодных для исследования, происходит крайне медленно. Поэтому интенсивное изучение радиоактивных распадов началось лишь после открытия нейтрона в 1932 г.

Нейтрон не имеет электрического заряда, и способен гораздо легче попадать в зону действия ядерных сил, чем заряженные протоны или альфа-частицы. Появляется возможность ускорить ядерные реакции, облучая пробу вещества нейтронами.

В результате таких исследований в 1938 г О. Ганом и Ф. Штрассманом было установлено, что при облучении урана нейтронами образуются боле легкие элементы, с массовыми числами меньше, чем массовое число урана, как правило, в полтора раза, в основном четвертого-пятого периодов таблицы Менделеева. Были построены уравнения таких ядерных реакций, описаны их энергетические параметры.

Механизм деления ядра

В 1939 г физиками О. Фришем и Л. Мейтнером была предложена капельная модель ядра, в рамках которой был описан процесс деления ядра атома урана.

В покое ядро урана можно представить в виде капли, состоящей из нуклонов (протонов и нейтронов). Протоны имеют одинаковый заряд и стремятся разлететься, однако, ядерные силы имеют большую мощность, и препятствуют этому.

В тяжелых элементах протонов очень много, и энергия ядерных сил лишь немного превышает энергию кулоновского отталкивания в сфере их действия (напомним, ядерные силы, в отличие от кулоновских – короткодействующие). Если в ядро попадает нейтрон, обладающий некоторой энергией, он передает ее ядру, в ядре, точно так же, как в реальной капле, возникают деформации, оно теряет сферическую форму, и часть ядра может оказаться в зоне, где ядерные силы резко убывают. В результате эта часть ядра отрывается от остальной части, и под действием кулоновских сил отталкивания они разлетаются с высокими скоростями (до 3% скорости света).

Рис. 2. Капельная модель деления ядра урана.

Поскольку доля нейтронов в устойчивых ядрах для легких элементов меньше, получается, что при делении ядра урана один или несколько нейтронов оказываются «лишними», они покидают зону распада, и могут попасть в другие ядра урана, являясь инициаторами цепной реакции деления. В такой реакции нейтрон, попавший в ядро, вызывает его деление, в результате которого возникают новые нейтроны, которые в свою очередь также вызывают новые деления ядер, и так далее.

В ядрах урана возможно и спонтанное деление, без возбуждения нейтроном. Удельная энергии связи у более легких элементов выше, а значит, ядру урана энергетически «выгодно» распасться на более легкие ядра. Этому препятствуют ядерные силы, нужен внешний возбуждающий импульс, но существует ненулевая вероятность, что в ядре начнется распад и без такого импульса. Однако, эта вероятность крайне низка, события происходят редко, и период полураспада для спонтанного деления очень велик – $10^{16}$ лет.