Поділ і синтез ядер

Діленням ядер називається процес, при якому з одного атомного ядра утворюється 2 (іноді 3) ядра-осколки, які є близькими за масою.

Діленням ядер називається процес, при якому з одного атомного ядра утворюється 2 (іноді 3) ядра-осколки, які є близькими за масою.

Цей процес є вигідним для всіх β-стабільних ядер з масовим числом А > 100.

Поділ ядер урану було виявлено в 1939 році Ганом і Штрасманом, однозначно довели, що при бомбардуванні нейтронами ядер урану U утворюються радіоактивні ядра з масами і зарядами, приблизно в 2 рази меншими маси та заряду ядра урану. У тому ж році Л. Мейтнером і О. Фришером був введений термін «поділ ядер» було відзначено, що при цьому процесі виділяється величезна енергія, а Ф. Жоліо-Кюрі і Е. Ферми одночасно з’ясували, що при поділі випускаються кілька нейтронів (нейтрони ділення). Це стало основою для висунення ідеї самопідтримуваної ланцюгової реакції поділу і використання ділення ядер як джерела енергії. Основою сучасної ядерної енергетики є поділ ядер 235U і 239Pu під дією нейтронів.

Поділ ядра може відбуватися завдяки тому, що маса спокою важкого ядра виявляється більшою суми мас спокою осколків, які виникають у процесі поділу.

Поділ і синтез ядер.

З графіка видно, що цей процес виявляється вигідним з енергетичної точки зору.

Механізм поділу ядра можна пояснити на основі краплинної моделі, згідно з якою згусток нуклонів нагадує крапельку зарядженої рідини. Ядро утримують від розпаду ядерні сили притягання, більші, ніж сили кулонівського відштовхування, що діють між протонами і прагнуть розірвати ядро.

Ядро 235U має форму кулі. Після поглинання нейтрона воно порушується і деформується, набуваючи витягнуту форму (на малюнку б), і розтягується до тих пір, поки сили відштовхування між половинками витягнутого ядра не стануть більше сил тяжіння, що діють у перешийку (на малюнку). Після цього ядро розривається на дві частини (на малюнку р). Осколки під дією кулонівських сил відштовхування розлітаються зі швидкістю, що дорівнює 1/30 швидкості світла.

Випущення нейтронів в процесі ділення, про який ми говорили вище, пояснюється тим, що відносне число нейтронів (по відношенню до числа протонів) у ядрі збільшується із зростанням атомного номера, та для утворилися при поділі осколків число нейтронів стає більшим, ніж це можливо для ядер атомів з меншими номерами.

Поділ найчастіше відбувається на осколки нерівної маси. Ці осколки є радіоактивними. Після серії β-розпадів в результаті утворюються стабільні іони.

Крім вимушеного, буває і спонтанне ділення ядер урану, яке було відкрито у 1940 році радянськими фізиками Р. Н. Флеровым і К. А. Петржаком. Період напіврозпаду для спонтанного поділу відповідає 1016 років, що в 2 млн. разів більше періоду напіврозпаду при α-розпаді урану.

Синтез ядер відбувається в термоядерних реакціях. Термоядерні реакції — це реакції злиття легких ядер при дуже високій температурі. Енергія, яка виділяється при злитті (синтезі), буде максимальною при синтезі легких елементів, які володіють найменшою енергією зв’язку. При з’єднанні двох легких ядер, наприклад, дейтерію і тритію, утворюється більш важке ядро гелію з більшою енергією зв’язку:

Поділ і синтез ядер.

При такому процесі ядерного синтезу відбувається виділення значної енергії (17,6 Мев), рівна різниці енергій зв’язку важкого ядра Поділ і синтез ядер. і двох легких ядер Поділ і синтез ядер.. Утворюється при реакціях нейтрон набуває 70% цієї енергії. Порівняння енергії, яка припадає на один нуклон в реакціях ядерного поділу (0,9 Мев) та синтезу (17,6 Мев), показує, що реакція синтезу легких ядер є енергетично більш вигідною, ніж реакція ділення важких.

Злиття ядер відбувається під дією сил ядерного тяжіння, тому вони повинні зблизитися до відстаней, менших 10-14 м, на яких діють ядерні сили. Цьому зближенню перешкоджає кулонівське відштовхування позитивно заряджених ядер. Його можна подолати лише за рахунок великої кінетичної енергії ядер, які перевищують енергію їх кулонівського відштовхування. З відповідних розрахунків видно, що кінетичну енергію ядер, яка потрібна для реакції синтезу, можна досягти при температурах порядку сотень мільйонів градусів, тому ці реакції мають назву термоядерних.

Термоядерний синтез — реакція, в якій при високій температурі, більшій 107 К, з легких ядер синтезуються більш важкі ядра.

Термоядерний синтез — джерело енергії всіх зірок, в тому числі, і Сонця.

Основним процесом, при якому відбувається звільнення термоядерної енергії в зірках, є перетворення водню в гелій. За рахунок дефекту маси у цій реакції маса Сонця зменшується кожну секунду на 4 млн тонн.

Велику кінетичну енергію, яка потрібна для термоядерного синтезу, ядра водню отримують в результаті сильного гравітаційного тяжіння до центру зірки. Після цього при злитті ядер гелію утворюються і більш важкі елементи.

Термоядерні реакції відіграють одну з головних ролей в еволюції хімічного складу речовини у Всесвіті. Всі ці реакції відбуваються з виділенням енергії, яка випромінюється зірками у вигляді світла протягом мільярдів років.

Здійснення керованого термоядерного синтезу надало б людству новий, практично невичерпне джерело енергії. І дейтерій і тритій, потрібні для його здійснення Поділ і синтез ядер., цілком доступні. Перший міститься у воді морів і океанів (у кількості, достатній для використання протягом мільйона років), другий може бути отриманий в ядерному реакторі при опроміненні рідкого літію (запаси якого величезні) нейтронами:

Одним з найважливіших переваг керованого термоядерного синтезу є відсутність радіоактивних відходів при його здійсненні (на відміну від реакцій ділення важких ядер урану).

Головною перешкодою на шляху здійснення керованого термоядерного синтезу є неможливість утримання високотемпературної плазми за допомогою сильних магнітних полів протягом 0,1-1 с. Однак існує впевненість у тому, що рано чи пізно термоядерні реактори будуть створені.

Поки ж вийшло зробити лише некеровану реакцію синтезу вибухового типу у водневій бомбі.

ПОДІЛИТИСЯ: