4.6. Реакция деления ядра

Каждый из трёх рассмотренных типов распада ядер сопровождается выделением энергии, величина которой может быть оценена на основе самых общих соображений квантовой механики, приведённых в главе 4.1.

Возможность осуществления её появилась в 1938 году с открытием ещё одного типа реакций — реакции деления ядер. Впервые её наблюдали Ирен и Фредерик Жолио-Кюри и сербский физик Савич. Эта реакция принципиально отличается от рассмотренных ранее реакций распада. В результате последних получается элемент, отстоящий от исходного на одну или две клеточки периодической системы. При реакции деления ядро раскалывается всегда на две неравные части. В результате получаются два новых ядра, порядковые номера которых находятся в середине периодической системы Менделеева. Реакцию наблюдали и немецкие учёные Ган и Штрассман. Убедившись в её существовании, выделив из урана элементы середины периодической системы, они написали: «Как химики мы свидетельствуем, что такая реакция существует. Как физики мы отказываемся в неё верить». Последняя фраза подчёркивает принципиальное отличие этой реакции от реакций бета и альфа активности.

Реакция деления вызывается ударом нейтрона в ядро урана-235 (рис. 4.6). Наиболее распространённый изотоп урана U²³⁸ к реакции деления практически не способен.

Образовавшиеся изотопы брома и лантана сильно отличаются своими массовыми числами от тех, что приведены в таблице Менделеева. Это естественно, т. к. ядро урана содержит существенно большее число нейтронов, чем нужно для образования ядер с указанными порядковыми номерами (см. рис. 4.1). В силу перегруженности нейтронами новые ядра всегда β-активны, и лишь претерпев целую цепочку распадов, они превращаются в стабильные элементы. Для этого каждому изотопу требуется различное время (см. рис. 4.6), измеряемое иногда миллионами лет. В течение всех этих лет продукты деления излучают.

Внимательно рассматривая график зависимости удельной энергии связи от числа нуклонов (см. рис. 4.2), нетрудно убедиться, что деление ядра урана приведёт к освобождению энергии связи порядка 1 MэВ в расчете на каждый нуклон. Поскольку в ядре урана их 235, то один акт деления связан с выделением приблизительно 200 MэВ энергии, что в миллион раз больше энергии, выделяемой атомом при перестройке его электронной структуры.

В приведённом нами примере (4.15) реакция сопровождалась выделением шести свободных нейтронов. Это несколько больше среднего количества высвобождающихся нейтронов. Появление свободных нейтронов даёт основания для осуществления цепной реакции: попадая в соседние ядра урана-235, нейтроны вызовут их деление. Число вовлечённых в реакцию ядер будет расти. Причина появления нескольких свободных нейтронов в каждом акте деления рассматривалась выше, она кроется в большом перевесе нейтронов над протонами в исходном ядре (см. рис. 4.1).

Рассмотренная выше реакция деления не является единственно возможной. В процессе раскола урана могут образовываться ядра с порядковыми номерами от 20 до 60. Вероятность образования более лёгких ядер очень мала, их практически не наблюдали.