Подпишитесь на наши новости
Вернуться к началу с статьи up
 

ДЕЛЕ́НИЕ А́ТОМНОГО ЯДРА́

  • рубрика

    Рубрика: Физика

  • родственные статьи
  • image description

    В книжной версии

    Том 8. Москва, 2007, стр. 466

  • image description

    Скопировать библиографическую ссылку:




Авторы: Г. А. Пик-Пичак

ДЕЛЕ́НИЕ А́ТОМНОГО ЯДРА́, про­цесс, при ко­то­ром из од­но­го атом­но­го яд­ра воз­ни­ка­ют не­сколь­ко (ча­ще все­го два) бо­лее лёг­ких ядер (ос­кол­ков де­ле­ния), близ­ких по мас­се.

Историческая справка

Д. a. я. об­на­ру­же­но в 1939, ко­гда О. Ган и Ф. Штраc­с­ман ус­та­но­ви­ли, что при бом­бар­ди­ров­ке ура­на ней­тро­на­ми об­ра­зу­ют­ся яд­ра с мас­сой и за­ря­дом при­мер­но вдвое мень­ши­ми, чем у яд­ра ура­на (в ча­ст­но­сти, яд­ра Ba). В том же го­ду Л. Майт­нер и О. Фриш пред­по­ло­жи­ли, что яд­ра ура­на де­лят­ся под дей­ст­ви­ем ней­тро­нов на два ос­кол­ка, да­ли пер­вое ка­че­ст­вен­ное объ­яс­не­ние это­го яв­ле­ния и вве­ли по­ня­тие «де­ле­ние яд­ра», а так­же от­ме­ти­ли, что при этом вы­де­ля­ет­ся зна­чи­тель­но бóльшая энер­гия, чем во всех из­вест­ных ядер­ных про­цес­сах. Вско­ре Ф. Жо­лио-Кю­ри с со­труд­ни­ка­ми и од­но­вре­мен­но Э. Фер­ми с со­труд­ни­ка­ми об­на­ру­жи­ли, что при де­ле­нии ис­пус­ка­ет­ся неск. ней­тро­нов (т. н. ней­тро­ны де­ле­ния). Это по­слу­жи­ло ос­но­вой для вы­дви­же­ния идеи са­мо­под­дер­жи­ваю­щей­ся ядер­ной цеп­ной ре­ак­ции и ис­поль­зо­ва­ния Д. а. я. в ка­че­ст­ве ис­точ­ни­ка энер­гии. В 1939 Н. Бо­ром и Дж. А. Уи­ле­ром и не­за­ви­си­мо от них Я. И. Френ­ке­лем бы­ла по­строе­на пер­вая тео­рия де­ле­ния ядер. В 1940 Г. Н. Флё­ров и К. А. Петр­жак от­кры­ли спон­тан­ное де­ле­ние ядер. 2-я ми­ро­вая вой­на и воз­мож­ное во­ен. при­ме­не­ние Д. a. я. при­ве­ли к пре­кра­ще­нию на дол­гое вре­мя пуб­ли­ка­ций по фи­зи­ке де­ле­ния яд­ра.

Теория деления ядер

В рам­ках ка­пель­ной мо­де­ли яд­ра атом­ное яд­ро рас­смат­ри­ва­ет­ся как ка­п­ля рав­но­мер­но за­ря­жен­ной не­сжи­мае­мой жид­ко­сти. На ну­кло­ны дей­ст­ву­ют урав­но­ве­ши­ваю­щие друг дру­га ядер­ные си­лы при­тя­же­ния и элек­тро­ста­тич. си­лы от­тал­ки­ва­ния (ме­ж­ду про­то­на­ми), стре­мя­щие­ся ра­зо­рвать яд­ро. В про­цес­се де­ле­ния яд­ро из­ме­ня­ет фор­му: из сфе­ри­че­ско­го оно де­фор­ми­ру­ет­ся в вы­тя­ну­тый эл­лип­со­ид, за­тем на эк­ва­то­ре эл­лип­сои­да об­ра­зу­ет­ся пе­ре­тяж­ка. Воз­ни­ка­ет ган­те­ле­об­раз­ная фи­гу­ра, и ко­гда пе­ре­тяж­ка рвёт­ся, об­ра­зу­ют­ся ос­кол­ки де­ле­ния. Де­фор­ма­ция яд­ра при де­ле­нии со­про­во­ж­да­ет­ся уве­ли­че­ни­ем его по­верх­но­сти; при этом, как и в жид­кой ка­п­ле, си­лы по­верх­но­ст­но­го на­тя­же­ния воз­рас­та­ют, пре­пят­ст­вуя даль­ней­шей де­фор­ма­ции яд­ра. Кон­ку­рен­ция сил по­верх­но­ст­но­го на­тя­же­ния и ку­ло­нов­ских сил в ка­пель­ной мо­де­ли оп­ре­де­ля­ет­ся па­ра­мет­ром де­ли­мо­сти, ко­то­рый про­пор­цио­на­лен $Z^2/A$ ($Z$ – атом­ный но­мер эле­мен­та, $A$ – мас­со­вое чис­ло). С уве­ли­че­ни­ем па­ра­мет­ра де­ли­мо­сти рас­тёт не­ста­биль­ность атом­но­го яд­ра от­но­си­тель­но де­ле­ния. 

Барьер деления и последовательность форм, принимаемых делящимся ядром.

Для то­го что­бы яд­ро дос­тиг­ло фор­мы, пред­ше­ст­вую­щей его раз­ры­ву, не­об­хо­ди­ма за­тра­та оп­ре­де­лён­ной энер­гии для пре­одо­ле­ния по­тен­ци­аль­но­го барь­е­ра, на­зы­вае­мо­го барь­е­ром де­ле­ния (рис.). Ес­ли эту энер­гию яд­ро по­лу­ча­ет из­вне, то та­кое де­ле­ние на­зы­ва­ет­ся вы­ну­ж­ден­ным. Вы­ну­ж­ден­ное де­ле­ние яв­ля­ет­ся раз­но­вид­но­стью ядер­ных ре­ак­ций и мо­жет про­ис­хо­дить под дей­ст­ви­ем ней­тро­нов, $\alpha$-час­тиц, про­то­нов, $\gamma$-кван­тов и др. С рос­том атом­но­го но­ме­ра $Z$ умень­ша­ет­ся ста­биль­ность яд­ра от­но­си­тель­но про­цес­са де­ле­ния, что при­во­дит к за­мет­но­му са­мо­про­из­воль­но­му де­ле­нию яд­ра из ос­нов­но­го со­стоя­ния (т. н. спон­тан­но­му де­ле­нию яд­ра). Имен­но не­ус­той­чи­вость от­но­си­тель­но спон­тан­но­го де­ле­ния оп­ре­де­ля­ет не­воз­мож­ность су­ще­ст­во­ва­ния ядер с боль­ши­ми $Z$, т. е. гра­ни­цу пе­рио­дич. сис­те­мы эле­мен­тов. Спон­тан­ное де­ле­ние яд­ра яв­ля­ет­ся раз­но­вид­но­стью ра­дио­ак­тив­но­го рас­па­да (см. Ра­дио­ак­тив­ность) и ха­рак­те­ри­зу­ет­ся пе­рио­дом по­лу­рас­па­да, свя­зан­ным с ве­ро­ят­но­стью спон­тан­но­го де­ле­ния. В слу­чае спон­тан­но­го де­ле­ния про­ис­хо­дит кван­то­вое тун­нель­ное про­са­чи­ва­ние че­рез барь­ер (см. Тун­нель­ный эф­фект).

Ка­пель­ная мо­дель опи­сы­ва­ет лишь ус­ред­нён­ные (сгла­жен­ные) свой­ст­ва ядер. В дей­ст­ви­тель­но­сти же ха­рак­тер про­цес­са Д. a. я. мо­жет су­ще­ст­вен­но за­ви­сеть от внутр. струк­ту­ры яд­ра и со­стоя­ния отд. ну­кло­нов. Напр., барь­ер де­ле­ния ока­зы­ва­ет­ся боль­ше для ядер с не­чёт­ным чис­лом ну­кло­нов, чем для со­сед­них чёт­но-чёт­ных ядер (чёт­ные чис­ла про­то­нов $Z$ и ней­тро­нов $N$). Так, де­ле­ние ядер 238U под дей­ст­ви­ем ней­тро­нов ста­но­вит­ся дос­та­точ­но ве­ро­ят­ным лишь в том слу­чае, ко­гда ки­не­тич. энер­гия ней­тро­нов пре­вы­ша­ет не­ко­то­рый по­рог. В слу­чае же 235U да­же при за­хва­те те­п­ло­во­го ней­тро­на энер­гия воз­бу­ж­де­ния со­став­но­го яд­ра 236U пре­вы­ша­ет барь­ер де­ле­ния и яд­ро де­лит­ся с за­мет­ной ве­ро­ят­но­стью.

Зна­чит. влия­ние на про­цесс де­ле­ния ока­зы­ва­ет струк­ту­ра яд­ра, что при­во­дит к по­яв­ле­нию эф­фек­тов, вы­хо­дя­щих за рам­ки ка­пель­ной мо­де­ли. Су­ще­ст­во­ва­ние ядер­ных обо­ло­чек (см. Обо­ло­чеч­ная мо­дель яд­ра) в ря­де слу­ча­ев су­ще­ст­вен­но из­ме­ня­ет фор­му барь­е­ра де­ле­ния, ко­то­рый, в от­ли­чие от по­ка­зан­но­го на рис., мо­жет иметь не один, а два мак­си­му­ма. Та­кой «дву­гор­бый» барь­ер при­во­дит к воз­ник­но­ве­нию т. н. изо­ме­ров де­ле­ния (см. Изо­ме­рия атом­ных ядер). Обо­ло­чеч­ные эф­фек­ты силь­но влия­ют на ве­ро­ят­ность де­ле­ния и, в ча­ст­но­сти, от­вет­ст­вен­ны за по­яв­ле­ние ост­ро­ва ста­биль­но­сти сверх­тя­жё­лых эле­мен­тов.

Осколки деления

Мас­са де­ля­ще­го­ся яд­ра боль­ше сум­мы масс об­ра­зую­щих­ся ос­кол­ков. Раз­ни­ца в мас­сах со­от­вет­ст­ву­ет энер­гии, вы­де­ляе­мой при Д. a. я. Зна­чит. часть этой энер­гии вы­де­ля­ет­ся в ви­де ки­не­тич. энер­гии ос­кол­ков, при­бли­зи­тель­но рав­ной энер­гии их элек­тро­ста­тич. от­тал­ки­ва­ния в мо­мент де­ле­ния. Сум­мар­ная ки­не­тич. энер­гия ос­кол­ков не­сколь­ко уве­ли­чи­ва­ет­ся по ме­ре воз­рас­та­ния $A$ де­ля­ще­го­ся яд­ра и со­став­ля­ет для ура­на и транс­ура­но­вых эле­мен­тов ок. 200 МэВ. Ос­кол­ки бы­ст­ро тор­мо­зят­ся в сре­де, вы­зы­вая ио­ни­за­цию, на­гре­ва­ние и на­ру­шая её струк­ту­ру. Ути­ли­за­ция ки­не­тич. энер­гии ос­кол­ков де­ле­ния за счёт на­гре­ва­ния ими сре­ды – ос­но­ва ис­поль­зо­ва­ния ядер­ной энер­гии.

Ос­кол­ки де­ле­ния об­ра­зу­ют­ся в силь­но де­фор­ми­ро­ван­ном со­стоя­нии, энер­гия де­фор­ма­ции пе­ре­хо­дит в те­п­ло­вое воз­бу­ж­де­ние ос­кол­ков. В даль­ней­шем энер­гия воз­бу­ж­де­ния ос­кол­ков умень­ша­ет­ся в ре­зуль­та­те ис­пус­ка­ния ими ней­тро­нов (ней­тро­ны де­ле­ния). Ко­гда энер­гия воз­бу­ж­де­ния ста­но­вит­ся мень­ше энер­гии, не­об­хо­ди­мой для от­де­ле­ния ней­тро­на от яд­ра, эмис­сия ней­тро­нов пре­кра­ща­ет­ся и на­чи­на­ет­ся ис­пус­ка­ние $\gamma$-кван­тов. В сред­нем на один акт де­ле­ния ис­пус­ка­ет­ся 8–10 $\gamma$-кван­тов. В очень ред­ких слу­ча­ях ос­кол­ки об­ра­зу­ют­ся в ос­нов­ных со­стоя­ни­ях (т. н. хо­лод­ное де­ле­ние).

Мас­са, за­ряд и энер­гия воз­бу­ж­де­ния ос­кол­ков, об­ра­зую­щих­ся в отд. ак­тах де­ле­ния, раз­лич­ны. Чис­ло ней­тро­нов, ис­пу­щен­ных в од­ном ак­те де­ле­ния, так­же флук­туи­ру­ет. При бом­бар­ди­ров­ке 235U мед­лен­ны­ми ней­тро­на­ми ср. чис­ло ис­пус­кае­мых ней­тро­нов $\nu$ = 2,5. Для бо­лее тя­жё­лых эле­мен­тов $\nu$ уве­ли­чи­ва­ет­ся. Имен­но пре­вы­ше­ние $\nu$ над 1 по­зво­ля­ет осу­ще­ст­вить ядер­ную цеп­ную ре­ак­цию. Ос­кол­ки де­ле­ния пе­ре­гру­же­ны ней­тро­на­ми и ра­дио­ак­тив­ны. Со­от­но­ше­ние ме­ж­ду чис­лом про­то­нов $Z$ и чис­лом ней­тро­нов $N=A-Z$ в ос­кол­ках за­ви­сит от энер­гии воз­бу­ж­де­ния де­ля­ще­го­ся яд­ра. При дос­та­точ­но вы­со­ком воз­бу­ж­де­нии оно в ос­кол­ках ос­та­ёт­ся тем же, что у де­ля­ще­го­ся яд­ра. При ма­лой энер­гии воз­бу­ж­де­ния ней­тро­ны и про­то­ны рас­пре­де­ля­ют­ся ме­ж­ду ос­кол­ка­ми так, что в даль­ней­шем про­ис­хо­дит при­мер­но оди­на­ко­вое чис­ло $\beta$-рас­па­дов, пре­ж­де чем они пре­вра­тят­ся в ста­биль­ные яд­ра. В отд. слу­ча­ях (при­бли­зи­тель­но 0,7% по от­но­ше­нию к об­ще­му чис­лу де­ле­ний) об­ра­зую­щее­ся при $\beta$-рас­па­де воз­бу­ж­дён­ное яд­ро так­же ис­пус­ка­ет ней­трон. Эмис­сия это­го ней­тро­на из воз­бу­ж­дён­но­го ядра – про­цесс бы­ст­рый (по­ряд­ка 10–16 с), од­на­ко он за­паз­ды­ва­ет по от­но­ше­нию к мо­мен­ту де­ле­ния яд­ра на вре­мя, ко­то­рое мо­жет дос­ти­гать де­сят­ков се­кунд. Эти т. н. за­паз­ды­ваю­щие ней­тро­ны при­ме­ня­ют для ре­гу­ли­ро­ва­ния ра­бо­ты ядер­но­го ре­ак­то­ра.

Д. a. я. на­зы­ва­ет­ся асим­мет­рич­ным, ес­ли от­но­ше­ние масс наи­бо­лее час­то воз­ни­каю­щих ос­кол­ков по­ряд­ка 1,5. По ме­ре уве­ли­че­ния энер­гии воз­бу­ж­де­ния яд­ра всё боль­шую роль на­чи­на­ет иг­рать сим­мет­рич­ное де­ле­ние на два ос­кол­ка с близ­ки­ми мас­са­ми. Для не­ко­то­рых спон­тан­но де­ля­щих­ся ядер (U, Pu) ха­рак­тер­но асим­мет­рич­ное де­ле­ние, но по ме­ре уве­ли­че­ния $A$ де­ле­ние при­бли­жа­ет­ся к сим­мет­рич­но­му. Наи­бо­лее от­чёт­ли­во это про­яв­ля­ет­ся у 258Fm. Кла­стер­ная ра­дио­ак­тив­ность, ко­гда из яд­ра вы­ле­та­ют лёг­кие яд­ра от 14С до 34Si, так­же мо­жет рас­смат­ри­вать­ся как очень асим­мет­рич­ное де­ле­ние на два ос­кол­ка. 

Зна­чи­тель­но ре­же на­блю­да­ет­ся трой­ное Д. a. я., т. е. де­ле­ние на два ос­кол­ка, со­про­во­ж­даю­щее­ся ис­пус­ка­ни­ем $\alpha$-час­ти­цы, 6Не, 8Не, Li, Ве и др. лёг­ких ядер, ко­то­рые вы­ле­та­ют в осн. из про­стран­ст­ва ме­ж­ду поч­ти сфор­ми­ро­вав­ши­ми­ся ос­кол­ка­ми. Пре­дель­ный слу­чай – де­ле­ние на три поч­ти рав­ных ос­кол­ка – на­блю­дал­ся при бом­бар­ди­ров­ке тя­жё­лых ядер ус­ко­рен­ны­ми мно­го­за­ряд­ны­ми ио­на­ми (40Ar и др.). Од­на­ко та­кие со­бы­тия объ­яс­ня­ют­ся дву­мя по­сле­до­ва­тель­ны­ми де­ле­ния­ми на два ос­кол­ка – пер­вое асим­мет­рич­ное де­ле­ние с от­но­ше­ни­ем масс ос­кол­ков 2 1 и вто­рое сим­мет­рич­ное де­ле­ние тя­жё­ло­го ос­кол­ка.

Лит.: Петр­жак К. А., Фле­ров Г. Н. Спон­тан­ное де­ле­ние ядер // Ус­пе­хи фи­зи­че­ских на­ук. 1961. Т. 73. Вып. 4; Xалперн И. Де­ле­ние ядер. М., 1962; Фриш О., Уи­лер Дж. От­кры­тие де­ле­ния ядер (Из ис­то­рии фи­зи­ки) // Ус­пе­хи фи­зи­че­ских на­ук. 1968. Т. 96. Вып. 12; Лих­ман Р. Б. Де­ле­ние яд­ра // Фи­зи­ка атом­но­го яд­ра и плаз­мы. М., 1974; Зель­до­вич Я. Б., Ха­ри­тон Ю. Б. Де­ле­ние и цеп­ной рас­пад ура­на // Ус­пе­хи фи­зи­че­ских на­ук. 1993. Т. 163. Вып. 4; Кур­ча­тов И. В. Де­ле­ние тя­же­лых ядер // Там же.

Вернуться к началу