Ядерные реакции могут происходить с выделением или поглощением энергии. В первом случае реакции называют экзотермической, во втором - эндотермической. Экзотермических есть все реакции распада естественно-радиоактивных ядер (урана, тория, плутония) под действием нейтронов, а также реакции синтеза легких атомных ядер (водорода, дейтерия, трития).
Тяжелые ядра, такие как уран, «упакованы» заметно хуже, чем ядра промежуточной массы. Отсюда следует, что если тяжелое ядро разделить на две средние по массе части, нуклоны в каждой из них упакуются плотнее. При этом выделяться некоторая энергия. Такую реакцию называют ядерной реакцией деления {расщепление). Реальная возможность реакций деления стала понятной некоторым физикам сразу же после открытия нейтрона. Явление деления ядер урана под действием нейтронов открыли немецкие ученые О. Ган и Ф. Штрассман (1938 p.). Эти ученые нашли в химически чистом уране, облученном нейтронами, барий (Z = 56) и лантан (Z = 57) - элементы, ядра которых почти вдвое легче ядер урана. Новые элементы могли появиться в уране только в результате расщепления его ядер под действием нейтронов. Открытие О. Гана и Ф. Штрассмана было подготовлено работами Ирен Фредерика Жолио-Кюри, изъявивших 1934 искусственную радиоактивность элементов, а затем нашли лантан в уране, облученном нейтронами.
Следовательно, реакция деления ядер урана вызывается нейтронами, попадающие в них. Вероятность попадания нейтрона в ядро характеризуется его эффективным сечением а. Атомное ядро при этом выступает как мишень, по которой стреляют нейтронами. Предположим, что время-тинка-снаряд движется в объеме V, где содержится N одинаковых мишеней (ядер). Количество столкновений AZ, которые испытывает эта частица на пути Ах, будет пропорциональной плотности п = N / V и толщине слоя Ах. Эффективное сечение зависит от типа реакций и свойств «снарядов», а потому может существенно отличаться от Ю ~ 30 м2. Например, при бомбардировке ядра заряженными частицами их надо разгоняться до таких энергий, чтобы они могли преодолеть потенциальный барьер атомного ядра. Поэтому для заряженных частиц эффективное сечение реакции быстро возрастает с увеличением энергии частицы и достигает максимума при значениях энергии порядка высоты потенциального барьера атомного ядра, после чего рост эффективного сечения замедляется и для очень больших энергий начинает уменьшаться. Для нейтронов Есть потенциального барьера, который задерживал бы проникновения в атомное ядро. Поэтому вероятность захвата нейтрона ядром тем больше, чем дольше он будет находиться вблизи атомного ядра, то есть чем меньше его скорость. Итак, эффективное сечение а захват нейтрона ядром должна быть обратно пропорциональным его скорости v. Такая зависимость действительно наблюдается, однако в некоторых атомных ядрах происходит селективное захвата нейтронов при некоторых значениях скоростей их движения. Это явление получило название резонансного захвата нейтронов. Оно наблюдается в случае редкоземельных элементов, а также литий, бора, кадмия и др..
При делении ядер урана под действием нейтронов на каждый акт деления освобождается 2-3 вторичных нейтроны, которые при соприкосновении с другими ядрами могут вызывать их деление. Количество уволенных нейтронов увеличивается, под их влиянием увеличивается количество актов деления, процесс прогрессивно ускоряется - возникает цепная реакция деления. Однако для осуществления такой реакции надо преодолеть немало трудностей. Исследования показали, что в продуктах реакций деления урана есть почти все элементы, расположенные в таблице Д. И. Менделеева между селеном (массовое число 79) и гольмия (массовое число 165). При этом среднее количество выделенных нейтронов на один акт деления равен примерно 2,5. Эти нейтроны имеют большое значение для поддержания цепной реакции. Энергия выделенных нейтронов лежит в пределах от нуля до 7 МэВ. Плутоний 239, подобно 92U, делится как тепловыми, так и быстрыми нейтронами, а потому используется в атомной технике как ядерное топливо. Схему разделения атомного ядра 2g2U показано на рис. 17.12. Здесь изображен случай, когда нейтрон я, что попадает в ядро 2g2U, разделяет его на две части с ^ Кr и ^ Ва. Реакция деления сопровождается вылетом трех нейтронов. Следующие акты деления приводят к образованию новых нейтронов, которые повлекут новый деление ядер и т. д. Следовательно, если природный уран максимально обогатить содержанием нуклида g2U, избавившись g2U и других примесей, которые поглощают нейтроны и изымают их из «игры», то ядерная реакция деления может превратиться в цепную, непрерывную реакцию, самороз-виваеться. Если развитие такой реакции ничем не ограничивается, то происходит ядерный взрыв (атомный взрыв). В земной атмосфере всегда есть некоторое количество нейтронов, рожденных космическим излучением (и радиоактивного распада в земной коре). Поэтому для взрыва достаточно соединить части ядерного заряда в одно целое с массой, превышающей критическую. Для соединения используют обычную взрывчатое вещество 1 (затравка), с помощью которой «выстреливают» одной частью заряда в другую. Все устройство содержится в массивной оболочке 3, изготовленной из металла большой плотности. Оболочка является отражателем нейтронов и к тому же содержит ядерный заряд от распыления. Цепная реакция в атомной бомбе происходит на быстрых нейтронах.
Другой способ осуществления цепной реакции используют в ядерных реакторах.
Загрузка...