1631124647-66d575907c0c0646a184b8c463ba4648 (848584), страница 22

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 22)

Далее осколки деления разлетаются за счет работы кулоновских сил.Выделившаяся энергия порядка Z 2 e2 /4A1/3 r, что можно записать еще так: 2 2e2aZE≈··.1/32aA r4Первый множитель – энергия электрона в атоме (13,6 эВ), второй – отношение размераатома (10−8 см) к размеру ядра (10−12 см), получается 104 , третий для урана около2 · 103 . Итого выделяется около 200 МэВ, или 1 МэВ на нуклон исходного ядра. Ту жеоценку можно получить из графика энергии связи, сравнивая тяжелые ядра с ядрамииз середины таблицы Менделеева.Получается, что эта «ядерная» энергия на самом деле электрическая.

Работа ядерных сил гораздо меньше и вдобавок имеет другой знак (уменьшает энерговыделение).При химических реакциях атомы обмениваются электронами, выигрывается какаято доля от характерной энергии электрона e2 /2a, то есть порядка электронвольта. Чтобы оценить удельный тепловой эффект – на нуклон, надо поделить на молекулярный веспродуктов реакции.

Например, при горении угля или нефти получаются CO2 (µ = 44)и H2 O (µ = 18). Достигается температура порядка тысяч градусов, что соответствует десятым долям эВ. Величина энерговыделения при делении велика (в миллионы23Дочь Марии Кюри, часто упоминается под фамилией Жолио-Кюри, по мужу – Фредерику Жолио.2.5.

Атомное ядро. Ядерные силы. Реакции деления. Цепная реакция79раз больше по сравнению с «химией») из-за двух факторов: малых размеров ядра (см.вторую дробь в формуле E) и его большого заряда (см. третью дробь).Это уже указывает на перспективы. В отличие от всех предыдущих видов распада(когда тоже выделяются МэВы), деление ядра контролируемо.

Оно вызывается нейтронами, и есть надежда им управлять.Цепная реакция. При делении образуются ядра из середины таблицы, для которыххарактерно гораздо меньшее число нейтронов. Например, для распада2351378492 U → 56 Ba + 36 Krизбыток нейтронов в левой части равен 235 − 137 − 84 = 14. Если образуется самыйтяжелый природный изотоп криптона – 86, и то имеется 12 лишних нейтронов (барийи так самый тяжелый).Конечно, при делении скорее должны получаться менее устойчивые изотопы. Например, бывают 143 Ba (живет 12 сек) и 92 Kr (3 сек), которые в сумме дают баланс.Лишние нейтроны в таких ядрах переходят в протоны цепочкой β – распадов.

Но врядли только такие распады возможны. С некой частотой возникают и более нормальныеизотопы, а часть лишних нейтронов при этом просто вылетает в свободном виде. Этому способствует крайне возбужденное состояние получившихся осколков – от довольнозамысловатой формы в момент деления они должны перейти к сферической.Мысль о свободных нейтронах деления пришла в голову многим, и среди первыхбыл Ферми, а в нашей стране Зельдович и Харитон. Мейтнер после эмиграции из Германии стала работать у Бора. 16 января 1939 г. Бор приехал в США погостить у Эйнштейна в Принстоне.

Он сообщил о делении ядра. Эта новость мигом распространиласьи дошла до Ферми (тоже к тому времени эмигрант) в Колумбийский университет. Ферми, Даннинг и Пеграм решили начать поиск событий деления (по необычно толстымионизационным следам от осколков). 26 января началась конференция по теоретической физике в Вашингтоне, где Ферми обсуждал проблему нейтронов с Бором. Еще доокончания конференции в четырех лабораториях США явление деления было экспериментально подтверждено.Пусть один исходный нейтрон разбивает ядро урана. Если в среднем вылетает, например, 2 свободных нейтрона, они разобьют уже 2 ядра.

Четыре полученных нейтронаразбивают 4 ядра, и так далее. Чтобы разбить все ядра, скажем, в килограмме урана (< 5 молей), надо N таких шагов, причем N не так велико: 2N ∼ 30 · 1023 , илиN = 24,5/ lg 2 = 80. Нейтроны летают быстро, и вся эта энергия выделится за микросекунды, как будто взорвалось вещество, в миллионы раз мощнее тротила.Это и есть цепная реакция. К счастью, подобный ход событий не так простоосуществить (а буквально такой – и невозможно).

Для получения ядерного взрыва(1945, 1949) потребовались усилия самых мощных стран в течение нескольких лет, иэффективность в результате далеко уступала описанному кошмару.Глава 2. СТРОЕНИЕ ВЕЩЕСТВА802.6Атомная энергетика. Термоядерные реакцииСчитается, что энергия деления вначале использовалась в бомбах и только позднее былисозданы атомные энергетические станции. Это очень неточно. Реакторы предшествовали бомбам, только в них не вырабатывалось электричество. А самый первый реакторна Земле возник вообще без участия человека.

Однако роль оружейной компонентыогромна: практически она определила все современное состояние науки. История освоения деления ядер настолько увлекательна, что было бы глубоко неправильно излагатьсуть проблемы в каком-то другом порядке.2.6.1Атомное оружиеЗамедление нейтронов. В опытах группы Ферми был открыт поразительный эффект. Оказалось, что активность, наведенная источником нейтронов в образце, зависитеще и от окружающих предметов.

Влияли такие вещи, как расположение деревянногостола, материал подставки, и т.д. А когда источник поместили в парафиновый блок,активность серебряного датчика повысилась в сотню раз! В этот момент Ферми произнес известное изречение «Пошли обедать». К концу обеда он уже мог объяснить явление. Парафин (состав CH2 ) эффективно замедлял нейтроны, так как массы протонаи нейтрона близки. Бильярдный шар, ударяя в лоб другой шар, останавливается, а отбортика, то есть от тяжелого стола, отскакивает почти без потери энергии.

Не каждый удар лобовой, и в среднем теряется половина энергии. Идею тут же проверили,заменив парафин водой. В фонтане (с золотыми рыбками) тоже получился резкий ростактивности.Почему же замедленные нейтроны действуют лучше? Выяснилось, что сечение взаимодействия медленного нейтрона с ядром, которое его способно захватить, растет в сотни раз (пропорционально 1/v, где v – скорость нейтрона).

Это квантовый эффект, и грубое его объяснение в том, что взаимодействие зависит не только от размера ядра, но и от√длины волны нейтрона. При энергии E = 1 МэВ импульс нейтрона p = 2mE ≈ 2·10−15СГС, а длина волны /p ≈ 5 · 10−13 см, то есть меньше размеров ядра.

Такой нейтрон«видит» ядро, как и положено, шариком размера ∼ 10−12 см. Но если нейтрон охладится даже до 1000 градусов (это 0,1 эВ), длина волны возрастет на три с половинойпорядка, до ∼ 10−9 см. Это уже в тысячу раз больше, чем размер ядра. Примерно в тойже степени возрастает сечение. Представьте себе, что вы проходите мимо столба в 10метрах от него. Каково же будет ваше удивление, когда вы стукнетесь лбом! Это – одноиз «квантовых чудес». Нейтрон размазан в пространстве и потому может поглотиться«издали».Раз медленный нейтрон так активно ловится ядром, его пробег в поглощающем веществе (например, серебряном индикаторе) будет уже не единицы см, а доли мм. Тонкаяпластинка серебра, через которую быстрые нейтроны в основном пролетали насквозь,2.6.

Атомная энергетика. Термоядерные реакции81поглощает практически все медленные нейтроны, и ее активность резко растет. За результаты по активации нейтронами и в особенности за открытие эффекта замедленияи его теоретическое объяснение Ферми получил Нобелевскую премию (1938).Изотопы урана. Природный уран – в основном изотоп 238, с небольшой примесью 235(0,72%). Период полураспада 235 U равен 0,7 миллиарда лет (меньше, чем 4,5 млрд для238U). Этот легкий изотоп – родоначальник своего радиоактивного ряда, похожего наряд 238-го урана. Меньший период полураспада говорит о меньшей стабильности. Ужев 30-е годы было понятно, что тяжелые нечетные изотопы менее устойчивы (так какне все нейтроны либо протоны могут объединяться в па́ры).

Вопрос, какой из изотоповурана делится нейтронами, практически очень важен.К июню 1940 г. было установлено, что оба изотопа делятся быстрыми нейтронами. Медленные же нейтроны могут делить только 235 изотоп. Но почему такое можетпроисходить вообще? Как тепловой нейтрон, с энергией, соответствующей комнатнойтемпературе (300 К, или 0,03 эВ) вызывает превращение с выделением 200 МэВ? Ведьнадо нарушить баланс сил в ядре, для которого 0,03 эВ совершенно незаметны.Ответ в том, что кинетическая энергия «на бесконечности» – не главное. Нейтронпритягивается к ядру. И когда он попадает внутрь, то набирает несколько МэВ кинетической энергии – ядерный масштаб, чего и достаточно для менее устойчивого 235 U.По-видимому, именно неожиданность эффективности процесса мешала исследователямзаметить деление 235 U медленными нейтронами гораздо раньше.Организация исследований.

В июле 1939 г., по инициативе Л. Сцилларда и Е. Вигнера, Эйнштейн обратился к президенту США Ф.Д. Рузвельту с письмом, где подчеркивалась важность урановой проблемы и опасность развития этих работ в Германии.Осенью 1939 г. был назначен Урановый консультативный комитет, который подал президенту доклад (1 ноября 1939), где прямо указывалось на реальность создания бомб.20 февраля 1940 была выдана первая субсидия в $6000 для закупки материалов.В июне 1940 г. был организован Исследовательский комитет национальной обороны, а в июне 1942 г. – новый округ инженерных войск (известный как Манхэттенскийокруг). В сентябре 1942 г.

руководителем проекта был назначен генерал Л. Гроувз.Реактор Ферми. 2 декабря 1942 года впервые была получена самоподдерживающаясяцепная реакция. В Металлургической лаборатории в Чикаго Ферми и его сотрудникипостроили первый ядерный реактор – шар диаметром около 8 метров (26 футов), сложенный из графитовых кирпичей, разделявших блоки металлического урана и окисиUO2 .Графит (практически чистый углерод) служил замедлителем нейтронов.

Нейтроныделения, вылетев из блока урана, попадали в графит и после десятков столкновенийснижали свою энергию до «комнатной», соответствующей температуре графита. Раноили поздно нейтрон, диффундируя через графит, мог вновь попасть в урановый блок.Но теперь он, уже медленный, практически сразу ловился ядром 235 U, не замечая ядер82238Глава 2. СТРОЕНИЕ ВЕЩЕСТВАU из-за разницы в сечениях на два-три порядка.Разбитое ядро давало два-три новых нейтрона. Не все они снова разбивали ядроурана, так как могли частично поглотиться в примесях графита, прилипнуть к 238 U(без деления) и, наконец, вылететь наружу. Потери из-за вылета нейтронов минимальны для шара, а при данной форме они тем меньше, чем больше размер реактора. Еслиосвободившиеся нейтроны производят в среднем один акт деления, то «котел» работаетв стационарном режиме.

Характеристики

Список файлов лекций