Лекция 2. Середина 20-го века

Движущие силы и научные достижения, способствовавшие становлению атомной науки и техники. Опыты по расщеплению ядер, открытие цепной реакции деления. Физика процессов деления. Первый ядерный реактор. Атомная бомба. Первая АЭС.

Первое проникновение в ядро осуществил в 1919 году Резерфорд, установивший, что ядро можно расщепить, подвергнув его воздействию α - частиц. Впервые это было сделано с ядрами азота

147 N+24 He→178 O+11H .

Ядра азота бомбардировались α − частицами, в результате чего атом ¹⁴₇ N превращается в изотоп

кислорода с массой 17 а.е.м.

В тридцатых годах нашего столетия ядерная физика не являлась ведущей научной отраслью и выглядела весьма скромно. Но были энтузиасты, видевшие перспективы этого направления исследований. Считалось, в частности, что таблица элементов является вполне законченной, открытым считался лишь вопрос о том, существуют ли элементы более тяжелые, чем уран U₉₂²³⁸ самый тяжелый из встречающихся в природе нуклидов. Более или менее романтические ожидания были связаны с возможным продолжением периодической системы с помощью трансурановых элементов, которые, как предполагалось, обладают весьма интересными свойствами.

Однако при пристальном рассмотрении оказывалось, что не следует возлагать на это слишком больших надежд, так как, начиная с порядкового номера Z = 84, все нуклиды радиоактивны. Точнее, если ядро состоит из слишком большого числа частиц, оно не может удержать их вместе, и начинается цепь превращений с испусканием частиц; она продолжается до тех пор, пока не достигается граница устойчивости.

В 1932 году было обнаружено, что пучки протонов с энергией 12кэВ расщепляют ядра лития:

73 Li+11H→24 He+24 He .

Для бомбардировки ядер использовался изотоп водорода D - дейтерий, и он оказался необычайно эффективным. В частности, оказалось, что с его помощью можно превратить легкий изо-топ лития в тяжелый:

63 Li+21D→73 Li+11H .

В 1934 году Ирен и Фредерик Кюри открыли новый класс ядерных превращений, которые на-звали процессами искусственного получения радиоактивных веществ, или искусственной радио-активностью.

Для получения трансурановых элементов Энрико Ферми использовал нейтроны, так как электрически нейтральным частицам «не страшен» потенциал отталкивания ядра. Нейтроны должны сразу же вступать во взаимодействие с ядрами. Уже в 1938 г. Ферми удалось превратить ядро урана ²³⁸₉₂ U в ядро с порядковым номером Z=93. При этом было установлено, что атомный номер ядра,

захватившего нейтрон, изменяется на 2 на 1 или вообще не меняется, что соответствует излучению α -частицы, протона или светового кванта.

Если нейтроны проходят через среду, содержащую много атомов водорода, то в результате столкновений с протонами, которым они отдают в среднем половину своей кинетической энергии, они замедляются, приходя в состояние теплового равновесия с этой средой. При этом ядерные реакции, которые вызывают эти медленные нейтроны, отличаются высокой интенсивностью, что позволяет эффективно исследовать строение ядер.

Опыты Энрико Ферми позволили установить на качественном уровне схему распада материнского ядра. Нейтрон «скрывался» в ядре урана, которое путем α распада превращалось в нуклид с порядковым номером на единицу большим. Подобные эксперименты проводил и Жолио-Кюри: он сообщил, что при этом возник некий элемент, который распадался с периодом полураспада 3,5 ч и, без сомнения, являлся трансураном. Этот элемент имел также очень большое химическое сходство с элементом из группы редкоземельных элементов.

Желая уточнить эти не вполне понятные эксперименты, в работу включились немецкие радиохимики Отто Ган (1879 − 1969), Лиза Мейтнер (1878 − 1968) и Фриц Штрассман (род. в 1920 г.). После трудоемких исследований осенью 1938 г. они установили, что был получен не трансурановый элемент, а барий.

17 декабря 1938 г., когда факт получения бария был установлен окончательно, Отто Ган сообщил следующее: «Эти опыты окончательно убедили нас в том, что при облучении урана ней-тронами тяжелое ядро урана распадается на осколки, один из которых - барий, представленный различными изотопами. Одновременно с расщеплением урана мы установили также факт расщепления тория; здесь также одним из осколков явился барий. Для начала процесса расщепления тория требовались более высокие энергии нейтронов; тепловые нейтроны оказывались неэффективными».

Несмотря на очевидность самой идеи и простоту установки, исследователи еще не решались полностью признать все колоссальное значение своего открытия. Отто Ган однажды заметил, что они долго не остерегались окончательно поверить в результаты, так как , согласно тогдашним представлениям, расщепление ядра урана считалось невозможным. Физика оказалась совершенно не подготовленной к такому повороту событий. Нейтрон проникает в ядро урана, внутри происходят какие-то процессы, после чего оно разваливается на отдельные фрагменты. Объяснить подобное явление с энергетической точки зрения удалось лишь значительно позднее.

Теория расщепления ядра была впервые разработана в 1939 г. Н. Бором и Д. Уилером. Независимо от них и даже несколько раньше эту теорию изложил коллегам Я. И. Френкель (1894-1952). В основу обоих теорий была положена капельная модель ядра, о которой подробнее будет сказано позже.

Капельная модель, как и все начальные модели, не в состоянии описать все сложные нюансы процесса деления. Некоторые стороны этого явления не вписываются в капельную теорию, а ряд экспериментальных фактов противоречит параметрам модели. Но , тем не менее, изучение колебаний жидкой капли позволило установить важные закономерности, применимые для ядра.

В обычном своём состоянии ядро ²³⁵U постоянно выбрасывает α − частицы, т.е. оно радиоактивно, период полураспада составляет, примерно 2,4⋅10⁷ лет.

Ядро, подобно большой капле воды, подвержено действию сил поверхностного натяжения. Деформации меньшие критических, не вызывают распада капли. Вследствие внутренней упругости ядро совершает капиллярные колебания. Процесс подобных колебаний формы капель наблюдается при их попадании на горячие поверхности. Под каплями образуется паровая подушка, препятствующая их непосредственному соприкосновению с горячей поверхностью (явление Лейденфроста).

Капли на поверхности плиты совершают замысловатый «танец», сохраняя, тем не менее, целостность. В каплях воды могут происходить процессы, не описывающиеся теорией Лейденфроста. Вода всегда содержат мельчайшие парогазовые пузырьки, которые при перегреве резко увеличивают свой объём и буквально разносят каплю на куски. Наиболее применима для моделирования ядерных процессов капля воды, взвешенная в масле. При достижении вполне определённой температуры капли, вследствие образования внутри капли конкурирующей фазы , её форма начинает меняться, капля пульсирует принимая форму вытянутого эллипсоида или чечевицы, а за-тем, как правило распадается на две (Рис.1).

Колебания формы ядерной капли происходят при одновременном проявлении двух типов сил: кулоновских сил отталкивания и ядерных сил притяжения. В обычном состоянии ядра ²³⁵U или ²³³U между этими си-

лами имеет место динамическое равновесие, но ядро на-

ходится, как бы, в «перегретом состоянии».
При попадании в ядро нейтрона (Рис.11.7) высвобождает-
ся энергия связи порядка 7,5 МэВ. Этой энергии оказывается
вполне достаточно для перевода ядра в возбуждённое состоя-
ние. Ядро начинает совершать очень интенсивные колебания.
Если подведенная энергия превышает значение работы де-
формации, необходимое для преодоления границы устойчиво-
сти, ядро распадается на две части: с помощью трековой каме-
ры можно видеть, как они обе разлетаются в диаметрально
противоположных направлениях со скоростями, составляю-
щими около v = 1/20 скорости света.
	Рис. 1. Капельная модель ядра
Энергию, высвобождающуюся при таком акте деления
можно оценить, используя закон Кулона, она составляет при-
мерно 200 МэВ.
Теория утверждает, что методом бомбардировки нейтро-
нами возможно расщепление только относительно крупных и
нестабильных ядер U233, U235 и Pu239. Энергии таких нейтронов
совершенно недостаточно для деления стабильных ядер, на-
пример свинца. В природном уране, добываемом на рудниках,
преобладает 23892 U , но расщепляется пополам лишь его изотоп
U235, содержание которого не превышает 0,7%.
Факт высвобождения энергии при делении ядра следует
так же и из рис.5.5, если двигаться вдоль кривой справа, где
должен находиться уран с А = 235, примерно до места нахож-
дения продуктов расщепления с А = 120, то видно, что энер-
гия связи возрастает от 7,5 МэВ примерно до 8,5 МэВ.	Рис. 11.7. Расщепление ядра
Следует иметь в виду, что при делении одного ядра участ-	нейтроном [17]
вует 235 нуклонов, следовательно, избыток, равный 1 МэВ на

нуклон, приведет к выделению примерно 200 МэВ в одном акте расщепления.

Чтобы нагляднее представить, значимость этого числа, напомним, что процессы, происходя-щие в оболочке атома (то есть химические процессы, например обычное горение), сопровождают-ся выделением энергии в единицы и десятки электрон-вольт на атом.

Расщепление же ядер урана сопровождается выделением энергии в миллионы раз большей! Например, в 1 кг способного к расщеплению нуклида ²³⁵₉₂ U содержится 2,56⋅10²⁴ ядер. Простой

расчет при условии расщепления всех ядер дает энергию в 22,8⋅10 ⁶ Дж. Как показали проведенные исследования, в результате интенсивных колебаний ядро разрывается, как правило, на две части. Однако новые ядра не обязательно строго равны по массе. Возможно, это чисто случайно, но в большинстве случаев массы осколков относятся как 2:3. Все «дочерние» ядра радиоактивны, так как по сравнению со своими устойчивыми изотопами они содержат достаточно много нейтронов. Каждое из образовавшихся ядер дает начало новому небольшому радиоактивному ряду распадов, каждый этап которого характеризуется своим периодом полураспада (Рис.11.8). Таким образом,

ядро урана ²³⁶₉₂ U превращается в ядро изотопа цезия ¹⁴⁰₅₅ Cs , которое, распадаясь в течение 66 с, ста-новится ядром изотопа бария ¹⁴⁰₅₆ Ba . Этот изотоп тоже радиоактивен, в течение 12,8 дней он стано-вится одним из изотопов лантана ¹⁴⁰₅₇ La , и наконец, спустя ещё 40 часов превращается в церий ¹⁴⁰₅₈ Ce . Кроме рассмотренной последовательности распада может наблюдаться схема показанная на рис 5.8 (нижняя последовательность). Яро ²³⁶₉₂ U распадается на ядра изотопа рубидия ₃₇⁹⁴ Rb , кото-рое, живёт несколько микросекунд, становясь изотопом стронция ⁹⁴₃₈Sr . Стронций, будучи радио-активным, всего за 2 минуты превращается в изотоп йода ⁹⁴₃₉Y и ещё за 20 минут изотоп йода ста-новится цирконием ⁹⁴₄₀ Zr . При каждом акте деления высвобождаются 2-3 нейтрона, вылетающие с

большой скоростью, так называемые, быстрые нейтроны. Как видно, новые образования при ядер-ном делении получаются в возбужденном состоянии, и их внутренняя энергия высвобождается в первую очередь путем испарения нейтронов и в виде γ − излучения.

В 1939 открыт первый тип деления атомных ядер - вынужденное деление, а затем и другие: в 1940 - спонтанный, в 1961 - изомерный, в 1971 – запаздывающий.

Рис. 1.Деление ядра²³⁵U,содержащего92протона и143нейтрона.Нейтрон,

захватываясь ядром ²³⁵U, превращает его в ²³⁶U; возникающая при этом деформация приводит к разрыву ядра.