Ядерное деление


Деление ядра — это реакция , при которой ядро ​​атома расщепляется на два или более меньших ядра . Процесс деления часто производит гамма- фотоны и высвобождает очень большое количество энергии даже по энергетическим стандартам радиоактивного распада .

Деление ядер тяжелых элементов было открыто в понедельник 19 декабря 1938 года в Берлине немецким химиком Отто Ганом и его помощником Фрицем Штрассманом в сотрудничестве с австрийско-шведским физиком Лизой Мейтнер . Ган понял, что произошел «взрыв» атомных ядер. [1] [2] Мейтнер объяснила это теоретически в январе 1939 года вместе со своим племянником Отто Робертом Фришем . Фриш назвал процесс по аналогии с биологическим делением.живых клеток. В своей второй публикации о делении ядер в феврале 1939 года Ган и Штрассманн предсказали существование и высвобождение дополнительных нейтронов в процессе деления, открыв возможность цепной ядерной реакции .

Для тяжелых нуклидов это экзотермическая реакция , которая может высвобождать большое количество энергии как в виде электромагнитного излучения , так и в виде кинетической энергии осколков ( нагрев объемного материала, в котором происходит деление). Подобно ядерному синтезу , для того чтобы деление производило энергию, общая энергия связи образующихся элементов должна быть больше, чем у исходного элемента.

Деление - это форма ядерной трансмутации, потому что полученные фрагменты (или дочерние атомы) не являются тем же элементом , что и исходный родительский атом. Два (или более) образующихся ядра чаще всего имеют сравнимые, но немного разные размеры, обычно с массовым отношением продуктов примерно 3 к 2 для обычных делящихся изотопов . [3] [4] Большинство делений являются бинарными (с образованием двух заряженных фрагментов), но иногда (от 2 до 4 раз на 1000 событий) образуются три положительно заряженных фрагмента при тройном делении . Наименьший из этих фрагментов в тройных процессах имеет размер от протона до ядра аргона .

Помимо деления, вызванного нейтроном, используемого и используемого людьми, естественная форма спонтанного радиоактивного распада (не требующая нейтрона) также называется делением и происходит особенно в изотопах с очень большими массовыми числами. Спонтанное деление было открыто в 1940 году Флеровым , Петржаком и Курчатовым [5] в Москве в эксперименте, предназначенном для подтверждения того, что без бомбардировки нейтронами скорость деления урана ничтожно мала, как и предсказывал Нильс Бор ; это не было незначительным. [5]

Непредсказуемый состав продуктов (которые варьируются в широком вероятностном и несколько хаотическом порядке) отличает деление от чисто квантовых туннельных процессов, таких как испускание протона , альфа-распад и распад кластера , которые каждый раз дают одни и те же продукты. Ядерное деление производит энергию для ядерной энергетики и приводит к взрыву ядерного оружия . Оба варианта использования возможны, потому что некоторые вещества, называемые ядерным топливом, подвергаются делению при ударе нейтронами деления и, в свою очередь, испускают нейтроны при распаде. Это приводит к самоподдерживающейся цепной ядерной реакции.возможно, высвобождая энергию с контролируемой скоростью в ядерном реакторе или с очень быстрой, неконтролируемой скоростью в ядерном оружии.


Индуцированная реакция деления. Нейтрон поглощается ядром урана-235 , ненадолго превращая его в возбужденное ядро ​​урана-236 , при этом энергия возбуждения обеспечивается кинетической энергией нейтрона плюс силами , связывающими нейтрон . Уран-236, в свою очередь, распадается на быстро движущиеся более легкие элементы (продукты деления) и высвобождает несколько свободных нейтронов, один или несколько «мгновенных гамма-лучей » (не показаны) и (пропорционально) большое количество энергии.
Визуальное представление события индуцированного ядерного деления, когда медленно движущийся нейтрон поглощается ядром атома урана-235, которое делится на два быстро движущихся более легких элемента (продукты деления) и дополнительные нейтроны. Большая часть высвобождаемой энергии находится в форме кинетических скоростей продуктов деления и нейтронов.
Выход продуктов деления по массе при делении урана-235 , плутония-239 тепловыми нейтронами , комбинации двух типичных для современных ядерных энергетических реакторов, и урана-233, используемого в ториевом цикле .
Стадии бинарного деления в жидкокапельной модели. Подводимая энергия деформирует ядро ​​в форму толстой «сигары», затем в форму «арахиса», за которым следует бинарное деление, поскольку две доли превышают расстояние притяжения ядерных сил ближнего действия, а затем раздвигаются и удаляются своим электрическим зарядом. В жидкокапельной модели предсказывается, что два осколка деления будут иметь одинаковый размер. Модель ядерной оболочки позволяет им различаться по размеру, как это обычно наблюдается экспериментально.
Анимация кулоновского взрыва в случае скопления положительно заряженных ядер, сродни скоплению осколков деления. Уровень оттенка цвета пропорционален (большему) заряду ядер. Электроны (более мелкие) в этой временной шкале видны только стробоскопически, а уровень оттенка - это их кинетическая энергия.
«Кривая энергии связи»: график энергии связи на нуклон обычных изотопов.
Схематическая цепная реакция ядерного деления. 1. Атом урана-235 поглощает нейтрон и делится на два новых атома (осколки деления), высвобождая три новых нейтрона и некоторую энергию связи. 2. Один из этих нейтронов поглощается атомом урана-238 и не продолжает реакцию. Другой нейтрон просто теряется и ни с чем не сталкивается, также не продолжая реакцию. Однако один нейтрон сталкивается с атомом урана-235, который затем делится и высвобождает два нейтрона и некоторую энергию связи. 3. Оба этих нейтрона сталкиваются с атомами урана-235, каждый из которых делится и высвобождает от одного до трех нейтронов, которые затем могут продолжить реакцию.
Градирни АЭС Филипсбург в Германии . _
Грибовидное облако атомной бомбы, сброшенной на Нагасаки, Япония , 9 августа 1945 года, поднялось более чем на 18 километров (11 миль) над эпицентром бомбы . Приблизительно 39 000 человек были убиты атомной бомбой, [16] из которых 23 145–28 113 японских фабричных рабочих, 2 000 корейских рабов и 150 японских комбатантов. [17] [18] [19]
Отто Ган и Лиза Мейтнер в 1912 году.
Выставка ядерного деления в Немецком музее в Мюнхене . Стол и инструменты являются оригинальными, [26] [27] , но не могли быть вместе в одной комнате.
Чертеж первого искусственного реактора Chicago Pile-1 .