yavor2 (553175), страница 95
Текст из файла (страница 95)
Ган и Штрассман весьма точным радиохимическим анализом доказали, что облучение урана нейтронами приводит к появлению химического элемента из середины менделеевской таблицы — бария „Ва, являющегося химическим аналогом радия „Ка. Аналогичный результат был ими получен при облучении нейтронами изотопа тория „ТЬ»»». 2. Эти удивительные результаты были впервые объяснены Фришем и Мейтнер, которые предположили, что тяжелые ядра являются неустойчивыми.
Возбужденное при захвате нейтрона тяжелое ядро (например, урана) может разделиться на две приблизительно равные части, называемые осколками деления. При этом нуклоны исходного составного ядра должны распределиться между осколками деления с выполнением законов еохранения зарядов и массовых чисел: Я~=У,+Е,; Ап+1-А =А,+А„ где индексы 1 и 2 относятся к осколкам деления, 2п и Ап — заряд и массовое число исходного ядра урана. Эксперимент подтвердил это предположение: среди продуктов облучения урана нейтронами были обнаружены, помимо бария, радиоактивные изотопы стронция мйг и иттрия „У, а кроме того, радиоактивный изотоп химически инертного газа (криптона или ксенона). 3.
Простые соображения показывают, что деление ядра урана на два осколка должно сопровождаться выделением огромной энергии. В самом деле, из 5 80.4 известно, что удельная энергия связи, т. е. энергия связи на один нуклон, в ядрах атомов элементов, расположенных в средней части периодической системы элементов, составляет примерно 8,7 МэВ, в то время как для тяжелых ядер она равна 7,6 МэВ. Этот факт приобретает теперь первостепенное значение: при делении неустойчивого, «рыхлого» ядра урана на два устойчивых, «упакованиых» осколка должна освобождаться энергия, равная 1,1 МэВ на один нуклон. Всего для ядра урана»»1)»»«, содержащего 238 нуклонов, должна выделяться энергия порядка 200 МэВ. Прн делении ядер, содержащихся в 1 г урана „11»»', выделится энергия 8 10" Дж, или 22000 кВт ч.
4. Основная часть энергии е7 деления должна выделяться в форме кинетической энергии осколков деления. Действительно, если акт деления произошел и осколки находятся друг от друга иа расстоянии г, при котором ядерные силы притяжения уже не действуют, то проявляется электростатическая кулоновская энергия отталкивания заряженных ядер — осколков деления. Потенциальная энергия взаимодействия зарядов Я,е и У,е равна Л,~„е' (7 = — ' 4к«»г Расстояние г между осколками в момент завершения деления, 413 очевидно, будет г = У, + Р„ где )х, и У, — радиусы ядер осколков деления, которые можно вычислить по формуле Я 80.6): 1с= 1,4 10 " Ач'.
Считая, что Я, = Л. ,=92!2 =46, ь', = Я, и А, =- А, = 238/2 = 119, получим по формуле для 1г'значение, близкое к 200 МэВ. Очевидно, что потенциальная энергия 1г' отталкивания ядер-осколков должна перейти в их кинетическую энергию К и осколки деления должны разлетаться с большими скоростями. Опыты подтвердили эти соображения и оценки. 5. Оказалось, что деление урана происходит при облучении его как быстрыми, так и медленными пейтронамн, причем действие последних более эффективно.
Масс-спектрометрнческие измерения позволили установить, что тепловые нейтроны производят деление ядер изотопа „П2", а энергия активации, т.е. минимальная энергия, необходимая для осуществления реакции деления ядра изотопа „1Р*', а также ядер изотопов тория и протактнния, существующих в природе, составляет приблизительно 1 МэВ. Наличие осколков деления ядер урана было зафиксировано в камере Вильсона, в которую вводилась окись урана, нанесенная на тонкую пленку. Стереоскопические фотографии ясно обнаружили следы тяжелых осколков, разлетающихся при делении в противоположных направлениях.
Этот же результат был получен с помощью метода толстослойных фотоэмульсий (см. т. 1, рис. 15.1). 6. Осколки, которые образуются прн делении тяжелых ядер, должны быть р -радиоактивны и могут испускать нейтроны. Этот вывод непосредственно вытекает из рассмотрения состава исходного тяжелого ядра и ядер — осколков деления. В ядрах атомов химических элементов, расположенных в середине менделеевской таблицы, число нейтронов У примерно равно числу протонов, так что У1е. ж 1.
Для тяжелых ядер, перегруженных нейтронами, отношение У/е возрастает до 1,6. Из этого факта следуют два вывода. Во-первых, осколки деления в момент своего образования должны обладать избытком нейтронов над протонами и при этом должна наблюдаться -радиоактивность. Большая перегругкенность ядер-осколков нейтронами должна привести к тому, что продукты 6 -распада ядер- осколков также будут р -радноактивны.
Во-вторых, очень существенно, что часть избыточных нейтронов, представляющих собой разность между числом нейтронов в исходном ядре и их числом в ядрах-осколках, будет испускаться осколками деления в виде так называемых нейтрояов деления. Число нейтронов, образовавпгнхся в актах деления, может быть несколько различным. Поэтому вводится понятие о среднем числе ч возникших нейтронов, приходящемся на один акт деления. Так, для ядер плутония ыРп"' н урана,Х"', которые делятся под действием тепловых нейтронов, число ч равно соответственно 3,0 н 2,5.
Таким образом, процесс деления ядер сопровождается разлножением нейтронов. Фзз = 4л)г за, где а — оповеРхностное натажениез. Во-втоРых, электРостатическаЯ энеРгиЯ Фзо взаимодействия протонов, определяемая формулой 3 Лзез 5 4лео)г где Ее — заряд ядра, )7 — его радиус. Все остальные члены, выражающие различные свойства ядерных сил, заввспт от общего числа А нуклонов и ядре.
Для поде ета энергетического баланса деления ядра все эти члены ие будут иметь значения, ибо общее число частиц сохраняется неизменным. 8. Подсчитаем энергию, которая освобождается при делении исходного ядра с зарядом Ле и массовым числом А на два одинаковых дочерних ядра-осколка, так что А, =- А, = А !2 и Лз = Вз = 2!2. Формулу для энергии связи в ядре до деления перепишем, удерживая лишь существенно важные члены, в таком виде: 3 Лзгз ~з =- 4л)(за+— 5 4леой При делении ядра должно выполняться условие неизменности объема капли, т. е.
4 з 4 з — л)зз —. 2.— л)7 3 3 где )тз — радиус ядра. осколка. Отсюда йз.=)7ф 2, Энергия связи в двух ядрах-осколках по форы уле (82.7) запишется следующим образом: Фз'=-2 (4лйза+ — — ) . 3 2~зез 5 4лео)сз ) Подставив вместо йз его выражение и, кроме того, учитывая, что Лз = к/2, получим Лз 3, — 3зез Фз'=2 4ла=+ — '2— зкГ4 5 16лео)1 ( ' (82.8) Разность Люз выражений (82.7) и (82.8) представляет собой энергию, которая осво- бождается при симметричном делении тяжелого ядра в виде кинетической энергии его осколков: 2 ) 3 2зез ! рг 2 б,бз= Фз — Фз'= 4л)1за 1 — =) + — — ( 1 — — ~ .
(82.9) зГ4 ) 5 4лео)1(1 2 Первый член в формуле (82.9) имеет отрицательный знак, ибо 1 — 127~~/ 4 ) = з =! — '2 ж — 0,26. Это соответствует тому, что при сохранении объема деление 415 7. Теория деления тяжелых ядер была разработана в 1939 г. Я. И. Френке" лем, а также Бором и Дж. Уиллером на основе гипотезы о неустойчивости тяжелых ядер. В основе теории лежала капсльная модель ядра (4 80.7).
Мы рассмотрим кратко основы этой теории, ограничившись подсчетом энергетического баланса процесса деления и некоторыми, связанными с этим, вопросами. Нас будет интересовать лишь первая стадия деления — образование ядер-осколков, и мы не будем рассматривать их радиоактивных преврагцений. Как известно из 6 80.7, капельная модель ядра позволяет получить полуэмпирическую формулу для энергии связи ядра-капли. В этой формуле содержится ряд членов, из которых два представлнют наибольший интерес длн рассмотрения первой стадии деления ядра. Это, во.первых, поверхностная энергия збзз ядра- капли, равная ядра-капли приводит к увеличению суммарной поверхности капель — осколков деления '). Физически это означает, что баланс одной только поверхностной энергии приводит к энергетической нецелесообразности процесса деления — энергетически выгодно, наоборот, слияние мелких капель с уменьшением свободной поверхности. Второй член выражения (82.9) положителен — электростатическая энергия взаимодействия протонов прн делении убывает.
Общий энергетический баланс деления определяется знаком ЬФо. При ЬАо > 0 энергия будет выделяться, при Ьюо с 0 она поглощается. Все зависит от соотношения между поверхностной энергией, которая должна затрачиваться при разделении капли, и электростатической энергией, которая выделяется при делении. 9. Существуют некоторые критические параметры 2, )! и о ядра-капли, при которых процесс деления происходит изознергешически, без изменения энергии системы (ЬАо = 0), или является энергетически выгодным (ЬАо ) 0).
Запишем это условие в форме ЬФо ~0. Тогда по формуле (82.9) получаем 3 хоо' )г' 2 — 1 6 4 .'4лк~о)2 з зо0,70. 5 4леоК 2 з Г2 (82. 10) Левая часть неравенства (82.10) представляет собой отношение энергии кулоновского отталкивания протонов, стремящегося разорвать ядро-каплю, к поверхностной энергии, стремящейся противодействовать растеканию капли. Полагая, согласно (80.11), )т= гоА Г", где го= 1,4 10™ м, можно переписать (82.!0) со знаком равенства следующим образоы: о 3 ез ('хз ! 5 (4л)'во гоо,т т,А г' (82. 10') Единственной переменной величиной в равенстве (82.10') является так пазы. ваемый ларцнетр деления Яз/А.
Для того чтобы определить, длн каких значений параметра деления процесс деления будет энергетически выгоден, т. е. будет выполнено условие Ь4)'~ О, подставим в предыдущее выражение численные значения всех констант. Тогда получим следующее неравенство, определяющее необходимые значения параметра деления: хо)А > !7 $82.8. Энергия активации деления. Спонтанное деление ядер 1. Результат предыдущего параграфа как будто говорит отом, что все ядра атомов химических элементов второй половины периодической системы (прн 2~)47) должны быть неустойчивы по отношению к процессу деления.
Опыт же показывает, что подавляющее большинство изотопов с массовыми числами А, большими 108, являются устойчивыми, за исключением наиболее тяжелых, которые могут претерпевать так называемое самопроизвольное (спонтанное) деление, о котором речь пойдет дальше. Это кажущееся противоречие объясняется тем, что выполнения условия Ь8 Ъ 0 еще недостаточно для того, чтобы реакция деления произошла. Для осуществления реакции Необходима затрата некоторого минимального количества энергии, называемого энергией активации деления ядра *) Легко подсчитать, что 2 4лй,' — 4пйо= 0,26лЖ 4!6 (82.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
