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.
Эта энергия в миллион раз больше той, которой мы пользуемся, сжигая топливо, то есть энергии химических реакций, связанных с перестройкой электронных оболочек. Отсюда вполне понятен интерес к проблеме использования энергии, заключенной в ядре атома. Но рассмотренные реакции не дают возможности применить выделяющуюся энергию: однократная реакция не может служить источником энергии. Так же, как и при горении, однократная реакция должна приводить к появлению аналогичных реакций в соседних ядрах, т.е. реакция должна распространяться, или, иначе, должна быть цепной реакцией.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.
Каждый акт деления индивидуален в том смысле, что продукты деления имеют произвольные порядковые номера. Естественно, закон сохранения заряда должен при этом быть выполнен: если один из образовавшихся элементов 35Br, то второй будет иметь порядковый номер Z = (92 – 35) = 57, то есть это будет лантан:92U235 + 0n1 = 35Br87 + 57La143 + 60n1. | (4.15) |
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.