Д.В. Сивухин - Общий курс физики. Том 5. Атомная и ядерная физика (1121281), страница 156
Текст из файла (страница 156)
Первый из этих процессов и порождает запаздывающие нейтроны. Запаздывание понимается в смысле временного отставания момента вылета рассматриваемых нейтронов от момента испускания мгновенных нейтронов (появляющихся непосредственно при делении ядра). Оно определяется периодом полураспада изотопа-предшественника, при ф-распаде которого и получилось возбужденное ядро, испустившее затем нейтрон. Процесс возникновения запаздывающих нейтронов поясняется схемами на рис.163 и 164.
На рис.163 показано ядро "7Вг, появившееся агпг 55,7г 87 Кг" д и" Кг д 11 лат --. д на9г стабилен и" Кг стабилен Рис. 163 в результате ядерного деления. Это ядро испытывает )1 -распад с периодом полураспада 55,6 с. В резулывте таких распадов возникают ядра "7Кг, большая часть которых находится в невозбужденном состоянии (Гл. Х1Н Нейтроны и давление апюмных ядер 616 и лишь незначительная часть — в сильно возбужденном состоянии "тКг'. Невозбужденное ядро после двух последовательных )3 -рас- тзт! 22,7« тзт Хе* 7 Хе ..6 тетке стабилен те«Хе стабилен Рис. 164 падов переходит в стабильное ядро атас.
Сильно же возбужденное ядро этКг' почти мгновенно переходит в невозбужденное состояние втКг (с испусканием 7-квантов) или же в стабильное состояние эеКг (с испусканием нейтрона). В последнем процессе и возникает запаздывающий нейтрон т) . Аналогичная схема приведена и на рис. 164. Таблица 15 Запаздывающие нейтроны Запаздывающие нейтроны делятся на несколько групп, различающихся временем запаздывания и энергией.
В табл. 15 приведены ха- ) Следует отметить, что изотоп етКг не случайно оказался «нейтроноактивнымн В ядре этого изотопа 51 нейтрон, т.е. на один нейтрон больше магического числа 50; этот «лишний» нейтрон и покидает возбужденное ядро. У изотопа '«~Хе (рис.164) число нейтронов равно 83, так что ситуация аналогична. 5 94) Трансурановые элементы рактеристики запаздывающихся нейтронов, возникающих при делении ядер урана-235, Свьппе 99% от всех выделяющихся при делении нейтронов освобождается мгновенно. На долю запвздывающих нейтронов приходится примерно 0,75%. Несмотря на это, запаздывающие нейтроны играют важную роль в ядерной энергетике — они позволяют сделать управляемыми ядерные реакции, происходящие при делении в ядерных реакторах (см.
3 95, п. 5). 12. В заключение приведем более точное примерное распределение энергии деления между различными способами ее освобождения при делении ээв11 тепловыми нейтронами: Кинетическая энергия осколков Энергия нейтронов деления Энергия мгновенных 7-квантов Энергия 13-частиц продуктов деления Энергия ч-излучения продуктов деления Энергия антинейтрино продуктов деления Всего 166,2 т 1,3 МэВ 4,8 ~ 0,1 МэВ 8,0 т 0,8 МэВ 7,0 л 0,3 МэВ 7,2 Э 1,1 МэВ 9,6т0,5 МэВ 202,8 ~ 0,4 МэВ 9 94. Трансурановые элементы 1.
Причину, по которой периодическая сис гема химических элементов, всгречающихся в природе в естественном состоянии, обрываегся на уране азу, надо искать в происхождении химических элементов и их последующих радиоактивных превращениях. В настоящее время можно считать доказанным, что все химические элементы Солнечной системы образовались свьппе 5 млрд лет назад в результате гравитационного сжатия огромных масс галактического водорода, при котором сильно повысилась его температура. Чрезвычайно высокая температура и обеспечила синтез сложных ядер из более простых ядер водорода.
При этом были синтезированы и многочисленные изотопы химических элементов с атомными номерами болыпе 92. Однако период их полураспада оказался значительно меньше времени существования Земли (около 4,5 10э лет). К настоящему времени все эти изотопы из-за радиоактивных превращений полностью распались и исчезли на Земле (см. и. 10). Самым тяжелым из сохранившихся оказался изотоп урана зэвИ, период полураспада которого (4,5. 10" лет) того же порядка, что и возраст Земли. 2.
Истинные границы периодической системы, за которыми существование более тяжелых элементов невозможно, казалось бы, должны определяться нестабильностью элекгронной оболочки атома. Дело в том, что самый глубокий электрон атомной оболочки не может приблизиться к центру ядра на расстояние, меньшее радиуса последнего. Такой электрон был бы сразу поглощен ядром, что привело бы [Гл.
Х!Н Нейтроны и деление атомных ядер 618 к уменьшению атомного номера элемента. Расстояние самого глубокого электрона атомной оболочки до центра атомного ядра с зарядовым числом Х по теории Бора равно гв)Х, где гв — боровский радиус. Радиус самого ядра определяется формулой (65.1). Таким образом, для возможности существования атома, во всяком случае, необходимо выполнение условия гв/Х > гоА, или 1/г ХА"ее < = 38000. то 194.1) Исключение Х с помощью соотношения (64.8а) приводит к неравенству А4/е — — — — —,—, ~ 38000.
1,97-Ь 0,015А Д (94. 1а) Решение этого неравенства своди гся к решению квадратного уравнения относительно АгД1. В результате получается А < 17700 н, следовательно, Х ~ 1460. Итак, совершенно невозможно существование атомов с порядковым числом Х > 1460. Приведенная опенка дает слишком завышенное значение для верхней границы Х. Она, в сущности, основана на безусловно верном утверждении, что атом не может существовать, если ближайший к ядру электрон находится на уровне, с которого практически мгновенно происходиг электронный захват, в резулгпате которого зарядовое число Х (равное порядковому номеру элемента) уменьшается на единицу. А такой захват (из-за туннельного эффекта) с большой вероятностью происходит не только с расстояния до центра ядра, равного его радиусу, но и с расстояний, значительно болыпих.
Поэтому стабильность электронной оболочки атома должна нарушаться уже при Х, значительно меныпих найденного вьппе значения. Более подробное рассмотрение показывает, что такое нарушение должно начинаться при Х = 180-200. И все же периодическая сис гема элементов обрывается еще раныпе. Ее верхняя граница связана не с неустойчивостью электронной оболочки, а определяется иеустойчиоостью самого ядра. 3. Элементы с атомными номерами болыпе 92, как уже указывалось, назьнаются транеурановыми («заурановыми») нли, короче, трансуранами. Все они получаются искусственно, т.
е. в результате различных ядерных реакций, в которых тот илн иной (тяжелый) элемент подвергается облучению или бомбардировке различными ядерными частицами. Наиболее важными из них являются нейтроны, поскольку они лишены электрического заряда и, следовательно, им не требуется преодолевать кулоновский потенциальный барьер. Но и заряженные частицы являются эффективными снарядами для получения трансурановых элементов, если только их энергия достаточно велика.
При облучении нейтронами изотопа урана зэгП получается промежуточное ядро хго13. Обладая излишком нейтронов, оно испытывает 13 -распад и превращается в ядро трансуранового элемента с Х = 93. Этот элемент был назван нептунием (Мр) по аналогии с Солнечной 5 94) Трансурановые элементы системой, в которой за планетой Уран следует планета Нептун. Претерпевая дальнейший»3 -распад, нептуний превращается в наиболее важный искусственный трансуран с Л = 94, названный плутонием (Ри), опять-таки по аналогии с Солнечной системой, в ко"горой за Нептуном следует планета Плутон. Такая схема получения трансуранов с 42 = 93 и Я = 94 была абсолютно ясна Ферми уже в 1934 г., когда он начал облучать нейтронами уран. Правда, в то время Ферми не удалось наблюдать 14р и Ри из-за их больших периодов полураспада (2, 3 дня для афер и 2,4 104 лет для 0'~401эи) и слабости радон-бериллиевого источника нейтронов, которым он тогда пользовался.
В опытах Ферми в действительности наблюдались не радиоактивные излучения трансуранов, а излучения радиоактивных изотопов, получающихся при делении ядер урана (см. 3 93). Только после создания ядерных реакторов, из которых исходят мощные потоки нейтронов (до 10'~ нейтронов через 1 см в 1 с), открылась возможность получать Мр и Ри и притом в промышленных масштабах. Их получение можно представить следующей схемой: гп + 99011 — » 99011 -~ 4 009~~ -~ 4 аалри а» О 09 09 04 Р 94 (94.2) Это,конечно,не единственная схема получения нептуния и плутония. Например, изотоп нептуния 99490Хр был получен в результате облучения урана 94" Н дейтронами с энергией 16 МэВ: 0 1+ 099 — » 098ь»р+ 2п.
(94.3) Всего в настоящее время известно не менее 12 изотопов нептуния с массовыми числами от 230 до 241. Изотоп нептуния афер представляет собой тяжелый (р = 19,5 г/смз) металл с серебристым блеском, медленно окисляющийся на воздухе. Температура плавления нептуния 640 'С. В настоящее время известны не менее 15 изотопов плутония с массовыми числами от 232 до 246. Элемент плутоний -- блесгящий металл с голубоватым оттенком. Плотность его в разных модификациях изменяется от 15,9 до 19,8 г/смз. Температура плавления плутония 640 'С. Коэффициент линейного расширения плутония отрицательный. 4. Пугем облучения нейтронами плутония получается следующий трансуран с Е = 95. Он был получен в США и назван америцием (Аш). Способ его получения в ядерном реакторе представляется следующей схемой: 0 94 'и+ азора — » 94ори 94 а О 04 гп+ 94ори — » 94»ри — 4 94»Агп.
Ол 90 Америций 9'„'0»Аш представляет собой серебристый металл с плотностью 11,7 г,»смз. Нейтроны и деление атомных лдер 620 Облучение 241Аш нейтронами с последующим 13 -распадом промежуточного ядра приводит к образованию трансурана с У. = 96 по схеме 1п+ 241Аш э 242А е — э 242С (94.4) Он был назван кюрием (Сш) в честь Марии и Пьера Кюри. Это также серебристый металл с пло"гностью 7 г/смз. Он се-радиоактнвен с периодом полураспада 160 дней. Его 42-радиоактивность настолько велика (1014 се-частиц в 1 мин на 1 мг), что она приводит к разогреванию, разбрызгиванию и даже разложению воды в водных растворах солей кюрия, а также к свечению их в темноте.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
