Деление атомных ядер

Понятие и физическая сущность деления Деление атомных ядер представляет собой процесс, при котором тяжёлое ядро, поглощающее нейтрон или самопроизвольно, распадается на два (реже три) сравнительно лёгких ядра — осколка, сопровождаясь выделением значительной энергии и нейтронов. Энергия, выделяющаяся при делении, обусловлена разностью массовых дефектов исходного ядра и продуктов деления, согласно знаменитому уравнению Эйнштейна (E = m c^2).

Наиболее часто изучаемые делящиеся ядра включают уран-235, плутоний-239, уран-233, которые характеризуются высокой вероятностью деления под действием тепловых нейтронов. Спонтанное деление более характерно для тяжёлых ядер, таких как уран-238, торий-232 и актиний-252, хотя вероятность их спонтанного деления значительно ниже.

Механизм ядерного деления Процесс деления условно разделяют на несколько стадий:

  1. Возбуждение ядра Поглощение нейтрона увеличивает внутреннюю энергию ядра, создавая состояние с избытком энергии, которое становится нестабильным. Энергия возбуждения может достигать нескольких МэВ.

  2. Деформация ядра Под действием кулоновских и ядерных сил ядро начинает вытягиваться, формируя двугорбую структуру. В этот момент возникает барьер деления, который необходимо преодолеть для разделения ядра на осколки.

  3. Формирование узкой шейки и разделение Ядро удлиняется до тех пор, пока образуется тонкая «шея», соединяющая будущие осколки. В момент разрыва шейки происходит резкое перераспределение энергии: кинетическая энергия осколков достигает 70–100 МэВ на каждое деление.

  4. Испускание нейтронов и гамма-квантов После деления выделяются 2–3 нейтрона и гамма-кванты. Выброшенные нейтроны могут инициировать цепную реакцию, если в системе присутствует критическая масса делящегося вещества.

Энергетика деления Энергия, выделяющаяся при делении одного ядра урана-235, составляет приблизительно 200 МэВ, что в массовых масштабах соответствует миллионам ккал на грамм вещества. Энергетический выход обусловлен:

  • Кинетической энергией осколков — около 165 МэВ, что является основной составляющей;
  • Энергией гамма-излучения — 5–7 МэВ;
  • Энергией нейтронов — 5–6 МэВ;
  • Энергией бета-распада осколков — около 7–10 МэВ.

Эти показатели определяют эффективность деления как источника энергии для ядерных реакторов и оружейных систем.

Типы деления

  • Спонтанное деление происходит без внешнего воздействия, обычно у тяжёлых элементов. Вероятность низкая, но с увеличением массы ядра растёт экспоненциально.
  • Индуцированное деление вызывается захватом нейтронов или других частиц. Для термоядерного применения наиболее важны тепловые нейтроны, так как с ними вероятность деления у урана-235 и плутония-239 максимальна.

Распределение осколков и нейтронов Осколки деления не равны по массе: распределение двухфрагментного деления носит ассиметричный характер, с пиком массы около 95 и 140 а. е. м. Каждый акт деления сопровождается выбросом в среднем 2–3 нейтронов, их энергия лежит в диапазоне 0,5–2 МэВ.

Цепная реакция и критическая масса Если делящиеся ядра расположены в достаточной концентрации, испускаемые нейтроны могут вызывать новое деление, формируя цепную реакцию. Для её поддержания требуется достичь критической массы — минимального количества вещества, при котором число новых делений равно числу предыдущих, компенсируя потери нейтронов.

Применение деления атомных ядер

  • Энергетика: эксплуатация ядерных реакторов, где деление управляется контролирующими нейтрон материалами;
  • Медицина: производство радиоизотопов через деление для диагностики и терапии;
  • Научные исследования: изучение свойств нейтронов, механизмов деления, синтез тяжёлых элементов.

Безопасность и радиохе́мия осколков Деление сопровождается образованием радиоактивных осколков, обладающих высокой химической активностью. Их управление требует комплексных методов разделения и хранения, включая химическую переработку топлива и глубокое захоронение отходов. Изучение химии осколков позволяет прогнозировать их поведение в реакторных средах, а также разрабатывать технологии минимизации радиационного воздействия.

Заключение по механистическим аспектам Деление атомных ядер представляет собой фундаментальный процесс, сочетающий квантово-механические эффекты, ядерную физику и химию. Его исследование лежит в основе современной радиохимии, энергетики и разработки методов безопасного использования ядерных материалов.

Оглавление