Спонтанное деление тяжелых ядер

Определение и сущность процесса Спонтанное деление — это процесс самопроизвольного распада тяжёлого атомного ядра на два или более сравнительно лёгких ядра с выделением большого количества энергии и нейтронов, без внешнего воздействия. Данное явление характерно для ядер с большим числом протонов (Z > 90) и нейтронов, для которых электростатическое отталкивание протонов в сочетании с квантовыми эффектами делает ядро нестабильным.

Энергетический эффект спонтанного деления определяется массовым дефектом: масса исходного ядра превышает суммарную массу продуктов деления. Высвобождаемая энергия распределяется между кинетической энергией осколков, энергией испускаемых нейтронов и гамма-квантов.

Механизм деления Процесс деления можно рассматривать как квантовомеханическое туннелирование: ядро преодолевает потенциальный барьер ядерных сил и кулоновское отталкивание. Основные этапы включают:

1. Возбуждение ядра и колебания формы — ядро испытывает флуктуации формы, переходя от сферической к вытянутой.
2. Формирование “шеек” — сужение в центральной части ядра приводит к его предрасположенности к разрыву.
3. Разделение на осколки — ядро разрывается на два фрагмента различной массы, чаще с соотношением 3:2.
4. Испускание нейтронов и гамма-квантов — высвобождаются несколько быстрых нейтронов (от 2 до 5 в среднем) и гамма-излучение, что увеличивает энерговыделение.

Энергетические характеристики Средняя энергия, выделяемая при спонтанном делении урана-238, составляет примерно 200 МэВ на одно деление, из которых:

• 168 МэВ приходится на кинетическую энергию осколков,
• 5 МэВ — на нейтроны,
• 7 МэВ — на гамма-излучение,
• остальная энергия расходуется на взаимодействие с окружающей средой и кинетическую энергию частиц.

Вероятность деления и период полураспада Вероятность спонтанного деления зависит от Z²/A и от энергетической разности между исходным ядром и суммой масс осколков. Для тяжёлых актинидов, таких как калифорний-252, вероятность деления относительно высока, что проявляется в коротком периоде полураспада (в порядке лет). Для урана-238 спонтанное деление крайне редкое событие (период полураспада порядка 10¹⁶ лет).

Выборка ядер и массовое распределение осколков Спонтанное деление характерно для:

• Уран-238, уран-235,
• Плутоний-239, плутоний-240,
• Калифорний-252.

Массовое распределение осколков асимметричное: чаще образуются осколки с массовыми числами, близкими к 95–140. Редко встречается симметричное деление, когда массы фрагментов почти равны.

Использование нейтронов деления Свободные нейтроны, испускаемые при спонтанном делении, играют ключевую роль в инициировании цепной реакции. Самоподдерживающаяся цепная реакция возможна, если каждый акт деления приводит к образованию хотя бы одного нового деления, что лежит в основе конструкций ядерных реакторов и ядерного оружия.

Теоретические модели Для описания спонтанного деления применяются:

• Модель жидкой капли — рассматривает ядро как каплю ядерной жидкости, учитывая внутренние силы сцепления и кулоновское отталкивание.
• Квантово-механическое туннелирование — позволяет вычислить вероятность преодоления потенциального барьера без внешнего воздействия.
• Микроскопические модели на основе ядерного shell-моделя — учитывают распределение протонов и нейтронов по энергетическим уровням, объясняя преимущество образования осколков с определёнными числами нейтронов и протонов.

Практическое значение Спонтанное деление лежит в основе:

• Радиохимических источников нейтронов — калифорний-252 используется для нейтронной активационной диагностики, исследования материалов и инициирования цепной реакции.
• Ядерного топлива — понимание редкой вероятности спонтанного деления урана-238 важно для расчёта безопасности и долговечности топливных элементов.
• Ядерной физики и исследований синтеза сверхтяжёлых элементов — наблюдение за спонтанным делением позволяет выявлять свойства искусственно созданных актинидов и трансуранических элементов.

Заключительные замечания по природе спонтанного деления Процесс спонтанного деления представляет собой уникальное сочетание квантовой механики, ядерной динамики и электростатических взаимодействий. Он демонстрирует нестабильность тяжёлых ядер и является важнейшим источником нейтронов и энергии в радиохимических и ядерных исследованиях.

Спонтанное деление остаётся предметом интенсивных исследований, направленных на точное определение вероятностей деления, распределений осколков и кинетики нейтронов, что имеет прямое значение для ядерной энергетики и физики сверхтяжёлых элементов.