Обобщение на урока "Деление на уранови ядра. Верижна реакция"

Ядрено делене- процесът на разделяне на атомно ядро ​​на две (по-рядко три) ядра с подобни маси, наречени фрагменти на делене. В резултат на деленето могат да възникнат и други продукти на реакцията: леки ядра (предимно алфа частици), неутрони и гама лъчи. Деленето може да бъде спонтанно (спонтанно) и принудено (в резултат на взаимодействие с други частици, предимно неутрони). Деленето на тежки ядра е екзотермичен процес, в резултат на който се отделя голямо количество енергия под формата на кинетична енергия на реакционни продукти, както и радиация. Ядреното делене служи като източник на енергия в ядрени реактори и ядрени оръжия. Процесът на делене може да възникне само когато потенциалната енергия на първоначалното състояние на ядрото на делене надвишава сумата от масите на фрагментите на делене. Тъй като специфичната енергия на свързване на тежките ядра намалява с увеличаване на тяхната маса, това условие е изпълнено за почти всички ядра с масово число .

Въпреки това, както показва опитът, дори най-тежките ядра се делят спонтанно с много малка вероятност. Това означава, че има енергийна бариера ( разделителна бариера), предотвратявайки разделянето. Няколко модела се използват за описание на процеса на ядрено делене, включително изчисляването на бариерата на делене, но нито един от тях не може да обясни процеса напълно.

Фактът, че при деленето на тежки ядра се отделя енергия, пряко следва от зависимостта на специфичната енергия на свързване ε = E светлина (A,Z)/A от масовото число A. При делене на тежко ядро ​​се образуват по-леки ядра, в които нуклоните са по-силно свързани и част от енергията се освобождава при деленето. По правило ядреното делене се придружава от излъчване на 1–4 неутрона. Нека изразим енергията на делене Q по отношение на енергиите на свързване на първоначалното и крайното ядро. Записваме енергията на първоначалното ядро, състоящо се от Z протона и N неутрона и имащо маса M(A,Z) и енергия на свързване E st (A,Z), в следната форма:

M(A,Z)c 2 = (Zm p + Nm n)c 2 - E St (A,Z).

Разделянето на ядрото (A,Z) на 2 фрагмента (A 1,Z 1) и (A 2,Z 2) е придружено от образуването на N n = A – A 1 – A 2 бързи неутрони. Ако едно ядро ​​(A,Z) се раздели на фрагменти с маси M 1 (A 1 ,Z 1), M 2 (A 2 ,Z 2) и енергии на свързване E св1 (A 1,Z 1), E св2 (A 2 , Z 2), тогава за енергията на делене имаме израза:

Q div = (M(A,Z) – )c 2 = E St 1 (A 1,Z 1) + E St (A 2,Z 2) – E St (A,Z),

A = A 1 + A 2 + N n, Z = Z 1 + Z 2.

23. Елементарна теория на деленето.

През 1939г Н. БорИ Дж. Уилър, и Я. ФренкелМного преди деленето да бъде изчерпателно изследвано експериментално, беше предложена теория за този процес, основана на идеята за ядрото като капка заредена течност.

Енергията, освободена по време на делене, може да бъде получена директно от Формули на Вайцзекер.

Нека изчислим количеството енергия, освободено по време на деленето на тежко ядро. Нека заместим в (f.2) изразите за енергиите на свързване на ядрата (f.1), приемайки A 1 = 240 и Z 1 = 90. Пренебрегвайки последния член в (f.1) поради неговата малка стойност и замествайки стойностите на параметрите a 2 и a 3, получаваме

От това получаваме, че деленето е енергийно благоприятно, когато Z 2 /A > 17. Стойността на Z 2 /A се нарича параметър на делимост. Енергията E, освободена по време на делене, се увеличава с увеличаване на Z 2 /A; Z 2 /A = 17 за ядра в областта на итрий и цирконий. От получените оценки става ясно, че деленето е енергийно благоприятно за всички ядра с A > 90. Защо повечето ядра са стабилни по отношение на спонтанното делене? За да отговорим на този въпрос, нека разгледаме как се променя формата на ядрото по време на делене.

Нека разгледаме началния етап на делене, когато ядрото, с увеличаване на r, приема формата на все по-удължен елипсоид на въртене. На този етап от деленето r е мярка за отклонението на ядрото от сферичната форма (фиг. 3). Поради еволюцията на формата на ядрото, промяната в потенциалната му енергия се определя от промяната в сумата на повърхностната и кулоновата енергия E" n + E" k. Приема се, че обемът на ядрото остава непроменен по време на процеса на деформация. В този случай повърхностната енергия E"n се увеличава, тъй като повърхността на ядрото се увеличава. Енергията на Кулон E"k намалява, тъй като средното разстояние между нуклоните се увеличава. Нека сферичното ядро, в резултат на лека деформация, характеризираща се с малък параметър, да приеме формата на аксиално симетричен елипсоид. Може да се покаже, че повърхностната енергия E" n и енергията на Кулон E" k варират както следва:

В случай на малки елипсоидални деформации, увеличаването на повърхностната енергия става по-бързо от намаляването на енергията на Кулон. В областта на тежките ядра 2E n > E k сумата от повърхностната и кулоновата енергия нараства с нарастване. От (f.4) и (f.5) следва, че при малки елипсоидални деформации, увеличаването на повърхностната енергия предотвратява по-нататъшни промени във формата на ядрото и, следователно, делене. Изразът (f.5) е валиден за малки стойности (малки деформации). Ако деформацията е толкова голяма, че ядрото приема формата на дъмбел, тогава силите на повърхностно напрежение, като силите на Кулон, се стремят да отделят ядрото и да придадат на фрагментите сферична форма. На този етап на делене увеличаването на напрежението е придружено от намаляване както на кулоновата, така и на повърхностната енергия. Тези. с постепенно увеличаване на деформацията на ядрото, неговата потенциална енергия преминава през максимум. Сега r има значението на разстоянието между центровете на бъдещите фрагменти. Тъй като фрагментите се отдалечават един от друг, потенциалната енергия на тяхното взаимодействие ще намалее, тъй като енергията на отблъскване на Кулон E k намалява.Зависимостта на потенциалната енергия от разстоянието между фрагментите е показана на фиг. 4. Нулевото ниво на потенциална енергия съответства на сумата от повърхностната и кулоновата енергия на два невзаимодействащи си фрагмента. Наличието на потенциална бариера предотвратява мигновеното спонтанно делене на ядрата. За да може едно ядро ​​да се раздели незабавно, то трябва да придаде енергия Q, която надвишава височината на бариерата H. Максималната потенциална енергия на делящото се ядро ​​е приблизително равна на e 2 Z 2 /(R 1 + R 2), където R1 и R2 са радиусите на фрагментите. Например, когато златно ядро ​​е разделено на два еднакви фрагмента, e 2 Z 2 /(R 1 + R 2) = 173 MeV и количеството енергия E, освободено по време на делене ( виж формула (f.2)), равно на 132 MeV. Така по време на деленето на златно ядро ​​е необходимо да се преодолее потенциална бариера с височина около 40 MeV. Колкото по-висока е височината на бариерата H, толкова по-ниско е съотношението на Кулон и повърхностната енергия E към /E p в първоначалното ядро. Това съотношение от своя страна се увеличава с увеличаване на параметъра на делимост Z 2 /A ( виж (f.4)). Колкото по-тежко е ядрото, толкова по-ниска е височината на бариерата Н , тъй като параметърът на делимостта се увеличава с увеличаване на масовото число:

Тези. Според капковия модел в природата не трябва да има ядра с Z 2 /A > 49, тъй като те спонтанно се делят почти моментално (в рамките на характерно ядрено време от порядъка на 10 -22 s). Съществуването на атомни ядра с Z 2 /A > 49 („остров на стабилност“) се обяснява със структурата на черупката. Зависимостта на формата, височината на потенциалната бариера H и енергията на делене E от стойността на параметъра на делене Z 2 /A е показана на фиг. 5.

Спонтанно делене на ядра с Z 2 /A< 49, для которых высота барьера Н не равна нулю, с точки зрения классической физики невозможно. С точки зрения квантовой механики такое деление возможно в результате прохождения через потенциальный барьер и носит название спонтанного деления. Вероятность спонтанного деления растет с увеличением параметра делимости Z 2 /А, т.е. с уменьшением высоты барьера. В целом период полураспада относительно спонтанного деления уменьшается при переходе от менее тяжелых ядер к более тяжелым от Т 1/2 > 10 21 години за 232 Th до 0,3 s за 260 Ku. Принудително делене на ядра с Z 2 /A < 49 может быть вызвано любыми частицами: фотонами, нейтронами, протонами, дейтронами, -частицами и т.д., если энергия, которую они вносят в ядро достаточна для преодоления барьера деления.

2. Каква енергия се нарича енергийна продукция на реакцията? Как да оценим енергийния добив за реакция на делене?

3. Каква стойност характеризира скоростта на верижната реакция? Запишете необходимото условие за развитието на верижна реакция.

4. Каква реакция на делене се нарича самоподдържаща се? Кога възниква?

5. Оценете критичния размер на ядрото и критичната маса.

N е концентрацията на ядрата. Броят на сблъсъците на неутрон с ядра за единица време n.

През 1934 г. Е. Ферми решава да получи трансуранови елементи чрез облъчване на 238 U с неутрони. Идеята на Е. Ферми е, че в резултат на β-разпадането на изотопа 239 U се образува химичен елемент с атомен номер Z = 93. Обаче не е възможно да се идентифицира образуването на 93-ия елемент. Вместо това, в резултат на радиохимичен анализ на радиоактивни елементи, извършен от О. Хан и Ф. Щрасман, беше показано, че един от продуктите на облъчване на уран с неутрони е барий (Z = 56) - химичен елемент със средно атомно тегло , докато според предположението на теорията на Ферми трябваше да се получат трансуранови елементи.
Л. Майтнер и О. Фриш предполагат, че в резултат на улавянето на неутрон от ураново ядро, съставното ядро ​​се разпада на две части

92 U + n → 56 Ba + 36 Kr + xn.

Процесът на делене на урана е придружен от появата на вторични неутрони (x > 1), способни да предизвикат делене на други уранови ядра, което отваря потенциал за възникване на верижна реакция на делене - един неутрон може да породи разклонен верига на делене на уранови ядра. В този случай броят на разцепените ядра трябва да нараства експоненциално. N. Bohr и J. Wheeler изчисляват критичната енергия, необходима за разцепването на ядрото 236 U, образувано в резултат на улавяне на неутрони от изотопа 235 U. Тази стойност е 6,2 MeV, което е по-малко от енергията на възбуждане на изотопа 236 U, образуван по време на улавянето на топлинен неутрон от 235 U. Следователно, когато се уловят топлинни неутрони, е възможна верижна реакция на делене на 235 U. За Най-често срещаният изотоп 238 U, критичната енергия е 5,9 MeV, докато когато се улови топлинен неутрон, енергията на възбуждане на полученото ядро ​​239 U е само 5,2 MeV. Следователно верижната реакция на делене на най-разпространения в природата изотоп 238 U под въздействието на топлинни неутрони се оказва невъзможна. При едно събитие на делене се освобождава енергия от ≈ 200 MeV (за сравнение, при реакции на химическо горене се освобождава енергия от ≈ 10 eV при едно събитие на реакция). Възможността за създаване на условия за верижна реакция на делене разкри перспективи за използване на енергията на верижната реакция за създаване на атомни реактори и атомни оръжия. Първият ядрен реактор е построен от Е. Ферми в САЩ през 1942 г. В СССР първият ядрен реактор е пуснат под ръководството на И. Курчатов през 1946 г. През 1954 г. в Обнинск започва да работи първата атомна електроцентрала в света. В момента електрическата енергия се генерира в приблизително 440 ядрени реактора в 30 страни.
През 1940 г. Г. Флеров и К. Петржак откриват спонтанното делене на урана. Сложността на експеримента се доказва от следните цифри. Частичният полуживот по отношение на спонтанното делене на изотопа 238 U е 10 16 –10 17 години, докато периодът на разпадане на изотопа 238 U е 4,5∙10 9 години. Основният канал на разпадане на изотопа 238 U е α разпадането. За да се наблюдава спонтанното делене на изотопа 238 U, беше необходимо да се регистрира едно събитие на делене на фона на 10 7 –10 8 събития на α-разпад.
Вероятността за спонтанно делене се определя главно от пропускливостта на бариерата на делене. Вероятността от спонтанно делене се увеличава с увеличаване на ядрения заряд, т.к в този случай параметърът на разделяне Z 2 /A се увеличава. В изотопи Z< 92-95 деление происходит преимущественно с образованием двух осколков деления с отношением масс тяжёлого и лёгкого осколков 3:2. В изотопах Z >100, преобладава симетричното делене с образуването на фрагменти с еднаква маса. С нарастването на ядрения заряд делът на спонтанното делене в сравнение с α-разпада се увеличава.

Ядрено делене. История

1934 г- Е. Ферми, облъчвайки урана с топлинни неутрони, открива сред продуктите на реакцията радиоактивни ядра, чиято природа не може да бъде определена.
L. Szilard представи идеята за ядрена верижна реакция.

1939 г− О. Хан и Ф. Щрасман откриват бария сред продуктите на реакцията.
Л. Майтнер и О. Фриш бяха първите, които обявиха, че под въздействието на неутрони уранът се разделя на два фрагмента със сравнима маса.
N. Bohr и J. Wheeler дадоха количествена интерпретация на ядреното делене чрез въвеждане на параметъра на делене.
Я. Френкел разработи капковата теория на ядреното делене от бавни неутрони.
L. Szilard, E. Wigner, E. Fermi, J. Wheeler, F. Joliot-Curie, Y. Zeldovich, Y. Khariton обосноваха възможността за верижна реакция на ядрено делене, протичаща в урана.

1940 г− G. Flerov и K. Pietrzak откриват явлението спонтанно делене на ядрата на уран U.

1942 г− Е. Ферми извърши контролирана верижна реакция на делене в първия атомен реактор.

1945 г− Първият тест на ядрено оръжие (Невада, САЩ). Американските войски хвърлиха атомни бомби върху японските градове Хирошима (6 август) и Нагасаки (9 август).

1946 г− Под ръководството на I.V. Курчатов е пуснат първият реактор в Европа.

1954 г− Пусната е първата в света атомна електроцентрала (Обнинск, СССР).

Ядрено делене.От 1934 г. Е. Ферми започва да използва неутрони за бомбардиране на атоми. Оттогава броят на стабилните или радиоактивни ядра, получени чрез изкуствена трансформация, се е увеличил до много стотици и почти всички места в периодичната таблица са запълнени с изотопи.
Атомите, възникващи във всички тези ядрени реакции, заемат същото място в периодичната таблица като бомбардирания атом или съседни места. Следователно, доказателството от Хан и Щрасман през 1938 г., че когато са бомбардирани с неутрони в последния елемент от периодичната таблица, създава голяма сензация−уран−настъпва разлагане на елементи, които са в средните части на периодичната таблица. Тук има различни видове гниене. Получените атоми са предимно нестабилни и веднага се разпадат допълнително; някои имат полуживот, измерен в секунди, така че Хан трябваше да използва аналитичния метод на Кюри, за да удължи толкова бърз процес. Важно е да се отбележи, че елементите нагоре по веригата на урана, протактиний и торий, също показват подобно разпадане, когато са изложени на неутрони, въпреки че са необходими по-високи неутронни енергии, за да се случи разпадането, отколкото в случая на уран. Заедно с това през 1940 г. Г. Н. Флеров и К. А. Петржак откриват спонтанното делене на ураново ядро ​​с най-големия известен дотогава период на полуразпад: около 2· 10 15 години; този факт става ясен поради неутроните, освободени по време на този процес. Това позволи да се разбере защо „естествената“ периодична система завършва с трите посочени елемента. Вече са известни трансуранови елементи, но те са толкова нестабилни, че се разпадат бързо.
Деленето на урана чрез неутрони сега прави възможно използването на атомна енергия, което мнозина вече са си представяли като „мечтата на Жул Верн“.

М. Лауе, „История на физиката“

1939 О. Хан и Ф. Щрасман, облъчвайки уранови соли с топлинни неутрони, откриват барий (Z = 56) сред продуктите на реакцията

Ото Ган (1879 – 1968)

Ядреното делене е разцепването на ядрото на две (по-рядко три) ядра с еднакви маси, които се наричат ​​фрагменти на делене. При деленето се появяват и други частици – неутрони, електрони, α-частици. В резултат на деленето се освобождава енергия от ~200 MeV. Деленето може да бъде спонтанно или принудително под въздействието на други частици, най-често неутрони.
Характерна особеност на деленето е, че фрагментите на делене като правило се различават значително по маса, т.е. преобладава асиметричното делене. По този начин, в случай на най-вероятно делене на урановия изотоп 236 U, съотношението на масите на фрагментите е 1,46. Тежкият фрагмент има масово число 139 (ксенон), а лекият фрагмент има масово число 95 (стронций). Като се вземе предвид излъчването на два незабавни неутрона, разглежданата реакция на делене има формата

Нобелова награда за химия
1944 – О. Ган.
За откриването на реакцията на делене на урановите ядра от неутрони.

Фрагменти от делене

Зависимост на средните маси на леки и тежки групи фрагменти от масата на делящото се ядро.

Откриване на ядреното делене. 1939 г

Пристигнах в Швеция, където Лиз Майтнер страдаше от самота, и аз, като предан племенник, реших да я посетя за Коледа. Тя живееше в малкия хотел Kungälv близо до Гьотеборг. Намерих я на закуска. Тя се замисли за писмото, което току-що бе получила от Ган. Бях много скептичен относно съдържанието на писмото, което съобщаваше за образуването на барий, когато уранът беше облъчен с неутрони. Тя обаче беше привлечена от възможността. Вървяхме в снега, тя пеша, аз на ски (тя каза, че може да мине така, без да изостава от мен и го доказа). В края на разходката вече можехме да формулираме някои изводи; ядрото не се разцепи и парчета не отлетяха от него, но това беше процес, който повече напомняше капковия модел на ядрото на Бор; подобно на капка, ядрото може да се удължи и да се раздели. След това проучих как електрическият заряд на нуклоните намалява повърхностното напрежение, което установих, че е нула при Z = 100 и вероятно много ниско за урана. Lise Meitner работи, за да определи енергията, освободена по време на всеки разпад поради масов дефект. Тя беше много ясна за кривата на масовия дефект. Оказа се, че поради електростатично отблъскване, елементите на делене ще придобият енергия от около 200 MeV и това точно съответства на енергията, свързана с дефекта на масата. Следователно процесът може да протече чисто класически, без да включва концепцията за преминаване през потенциална бариера, което, разбира се, би било безполезно тук.
Прекарахме два-три дни заедно по Коледа. След това се върнах в Копенхаген и едва имах време да информирам Бор за нашата идея точно в момента, когато той вече се качваше на кораб, заминаващ за САЩ. Спомням си как той се плесна по челото, щом започнах да говоря, и възкликна: „Ах, какви глупаци бяхме! Трябваше да забележим това по-рано." Но той не забеляза и никой не забеляза.
Lise Meitner и аз написахме статия. В същото време поддържахме непрекъсната връзка по междуградски телефон от Копенхаген до Стокхолм.

О. Фриш, Мемоари. UFN. 1968. Т. 96, брой 4, с. 697.

Спонтанно ядрено делене

В експериментите, описани по-долу, използвахме метода, предложен за първи път от Frisch за записване на процесите на ядрено делене. Йонизационна камера с плочи, покрити със слой от уранов оксид, е свързана към линеен усилвател, конфигуриран по такъв начин, че α частиците, излъчвани от урана, да не се откриват от системата; импулси от фрагменти, много по-големи по величина от импулси от α-частици, отключват изходния тиратрон и се считат за механично реле.
Специално е проектирана йонизационна камера под формата на многослоен плосък кондензатор с обща площ от 15 пластини на 1000 см2.Плочите, разположени на разстояние 3 mm една от друга, са покрити със слой от уранов оксид 10. -20 mg/cm 2 .
В първите експерименти с усилвател, конфигуриран за броене на фрагменти, беше възможно да се наблюдават спонтанни (при липса на източник на неутрони) импулси на реле и осцилоскоп. Броят на тези импулси беше малък (6 за 1 час) и затова е разбираемо, че това явление не можеше да се наблюдава с камери от обичайния тип...
Склонни сме да мислим така ефектът, който наблюдавахме, трябва да се припише на фрагменти, получени в резултат на спонтанното делене на урана...

Спонтанното делене трябва да се припише на един от невъзбудените U изотопи с полуживот, получен от оценка на нашите резултати:

U 238 – 10 16 ~ 10 17 години,
U 235 – 10 14 ~ 10 15 години,
U 234 – 10 12 ~ 10 13 години.

Изотопно разпадане 238 U

Спонтанно ядрено делене

Време на полуразпад на спонтанно делящи се изотопи Z = 92 - 100

Първата експериментална система с уран-графитна решетка е построена през 1941 г. под ръководството на Е. Ферми. Това беше графитен куб с дължина на ръба 2,5 м, съдържащ около 7 тона уранов оксид, затворен в железни съдове, които бяха поставени в куба на еднакво разстояние един от друг. Източник на неутрони RaBe беше поставен на дъното на уран-графитната решетка. Коефициентът на възпроизвеждане в такава система беше ≈ 0,7. Урановият оксид съдържа от 2 до 5% примеси. По-нататъшните усилия бяха насочени към получаване на по-чисти материали и до май 1942 г. беше получен уранов оксид, в който примесът беше по-малък от 1%. За да се осигури верижна реакция на делене, беше необходимо да се използват големи количества графит и уран - от порядъка на няколко тона. Примесите трябваше да бъдат по-малко от няколко части на милион. Реакторът, сглобен в края на 1942 г. от Ферми в Чикагския университет, имаше формата на непълен сфероид, отрязан отгоре. Той съдържаше 40 тона уран и 385 тона графит. Вечерта на 2 декември 1942 г., след като прътите за поглъщане на неутрони бяха отстранени, беше открито, че вътре в реактора протича ядрена верижна реакция. Измереният коефициент е 1,0006. Първоначално реакторът работи на ниво на мощност от 0,5 W. До 12 декември мощността му беше увеличена до 200 вата. Впоследствие реакторът е преместен на по-безопасно място, а мощността му е увеличена до няколко kW. В същото време реакторът изразходва 0,002 g уран-235 на ден.

Първият ядрен реактор в СССР

Сградата за първия ядрен изследователски реактор в СССР Ф-1 е готова до юни 1946 г.
След като са проведени всички необходими експерименти, е разработена система за управление и защита на реактора, установени са размерите на реактора, проведени са всички необходими експерименти с модели на реактори, определена е неутронната плътност на няколко модела, получени са графитни блокове (т.нар. ядрена чистота) и (след неутронно-физични проверки) уранови блокове, през ноември 1946 г. започва изграждането на реактор F-1.
Общият радиус на реактора е 3,8 м. Необходими са 400 тона графит и 45 тона уран. Реакторът е сглобен на слоеве и в 15:00 часа на 25 декември 1946 г. е сглобен последният, 62-ри слой. След отстраняване на т. нар. аварийни пръти, управляващият прът е повдигнат, започва отчитането на неутронната плътност и в 18 часа на 25 декември 1946 г. първият реактор в СССР оживява и заработва. Това беше вълнуваща победа за учените, създали ядрения реактор, и за целия съветски народ. И година и половина по-късно, на 10 юни 1948 г., промишленият реактор с вода в каналите достигна критично състояние и скоро започна промишленото производство на нов вид ядрено гориво, плутоний.

Верижна ядрена реакция. В резултат на експерименти с неутронно облъчване на уран беше установено, че под въздействието на неутрони урановите ядра се разделят на две ядра (фрагменти) с приблизително половината от масата и заряда; този процес е придружен от излъчване на няколко (два или три) неутрона (фиг. 402). В допълнение към урана, някои други елементи от последните елементи на периодичната таблица на Менделеев са способни на делене. Тези елементи, подобно на урана, се делят не само под въздействието на неутрони, но и без външни влияния (спонтанно). Спонтанното делене е установено експериментално от съветските физици К. А. Петржак и Георгий Николаевич Флеров (р. 1913 г.) през 1940 г. Това е много рядък процес. Така в 1 g уран се случват само около 20 спонтанни деления на час.

Ориз. 402. Деление на ураново ядро ​​под въздействието на неутрони: а) ядрото улавя неутрон; б) ударът на неутрон върху ядрото предизвиква колебания на последното; в) ядрото е разделено на два фрагмента; в същото време се излъчват още няколко неутрона

Поради взаимното електростатично отблъскване, фрагментите от делене се разпръскват в противоположни посоки, придобивайки огромна кинетична енергия (около ). Така реакцията на делене протича със значително освобождаване на енергия. Бързо движещите се фрагменти интензивно йонизират атомите на средата. Това свойство на фрагментите се използва за откриване на процеси на делене с помощта на йонизационна камера или облачна камера. Снимка на следи от фрагменти от делене в облачна камера е показана на фиг. 403. Изключително важно е, че неутроните, излъчвани по време на деленето на ядрото на уран (така наречените неутрони на вторично делене), са способни да предизвикат делене на нови ядра на уран. Благодарение на това е възможно да се извърши верижна реакция на делене: веднъж възникнала, реакцията по принцип може да продължи сама, обхващайки все по-голям брой ядра. Диаграмата на развитие на такава нарастваща целонна реакция е показана на фиг. 404.

Ориз. 403. Снимка на следи от фрагменти от делене на уран в облачна камера: фрагменти () летят в противоположни посоки от тънък слой уран, отложен върху плоча, блокираща камерата. Изображението също така показва много по-тънки следи, принадлежащи на протони, избити от неутрони от молекулите на водната кола, съдържаща се в камерата

Провеждането на верижна реакция на делене на практика не е лесно; опитът показва, че в масата на естествения уран верижна реакция не възниква. Причината за това се крие в загубата на вторични неутрони; в естествения уран повечето неутрони излизат, без да причиняват делене. Както показват проучванията, загубата на неутрони се случва в най-често срещания изотоп на урана - уран - 238 (). Този изотоп лесно абсорбира неутрони чрез реакция, подобна на реакцията на сребро с неутрони (виж § 222); това произвежда изкуствено радиоактивен изотоп. Дели се трудно и само под въздействието на бързи неутрони.

Изотопът, който се съдържа в количества в естествения уран, има по-благоприятни свойства за верижна реакция. Той се разделя под въздействието на неутрони с всякаква енергия - бързи и бавни, и колкото по-ниска е енергията на неутрона, толкова по-добре. Процесът, конкуриращ се с деленето - просто поглъщане на неутрони - е малко вероятно, за разлика от. Следователно в чистия уран-235 е възможна верижна реакция на делене, но при условие, че масата на уран-235 е достатъчно голяма. При урана с ниска маса реакцията на делене се прекратява поради излъчването на вторични неутрони извън неговото вещество.

Ориз. 404. Развитие на ценна реакция на делене: конвенционално се приема, че когато ядрото се делене, се излъчват два неутрона и няма загуба на неутрони, т.е. всеки неутрон предизвиква ново делене; кръгове - фрагменти от делене, стрелки - неутрони от делене

Всъщност, поради малкия размер на атомните ядра, неутронът изминава значително разстояние (измерено в сантиметри) през материята, преди случайно да се сблъска с ядро. Ако размерът на тялото е малък, тогава вероятността от сблъсък по пътя към изхода е малка. Почти всички вторични неутрони на делене се излъчват през повърхността на тялото, без да предизвикват ново делене, т.е. без да продължава реакцията.

От голямо тяло излитат главно неутрони, образувани в повърхностния слой. Неутроните, образувани вътре в тялото, имат достатъчна дебелина на уран пред тях и в по-голямата си част причиняват нови деления, продължавайки реакцията (фиг. 405). Колкото по-голяма е масата на урана, толкова по-малка част от неговия обем е повърхностният слой, от който се губят много неутрони, и толкова по-благоприятни са условията за развитие на верижна реакция.

Ориз. 405. Развитие на верижна реакция на делене в. а) При ниска маса повечето неутрони на делене излитат. б) В голяма маса уран много неутрони на делене предизвикват делене на нови ядра; броят на отделите се увеличава от поколение на поколение. Кръгове - фрагменти от делене, стрелки - неутрони от делене

Чрез постепенно увеличаване на количеството на , ще достигнем критична маса, т.е. най-малката маса, започвайки от която незатихваща верижна реакция на делене в . С по-нататъшно увеличаване на масата реакцията ще започне да се развива бързо (ще започне със спонтанно делене). Когато масата намалее под критичната стойност, реакцията замира.

Така че може да се проведе верижна реакция на делене. Ако имате достатъчно количество чисти, отделени от.

Както видяхме в §202, разделянето на изотопите, макар и сложно и скъпо, все още е осъществима операция. Наистина, извличането от естествен уран беше един от начините, по които верижната реакция на делене беше приложена на практика.

Заедно с това верижната реакция е постигната по друг начин, който не изисква отделяне на уранови изотопи. Този метод е малко по-сложен по принцип, но по-лесен за изпълнение. Той използва забавянето на бързите вторични неутрони на делене до скорости на топлинно движение. Видяхме, че в естествения уран непосредствените вторични неутрони се абсорбират главно от изотопа. Тъй като абсорбцията не води до делене, реакцията прекратява. Както показват измерванията, когато неутроните се забавят до термични скорости, абсорбционният капацитет се увеличава повече от абсорбционния капацитет. Поглъщането на неутрони от изотопа, водещо до делене, има предимство. Следователно, ако неутроните на делене се забавят, предотвратявайки поглъщането им в , ще стане възможна верижна реакция с естествения уран.

Ориз. 406. Система от естествен уран и модератор, в която може да се развие верижна реакция на делене

На практика този резултат се постига чрез поставяне на горещи пръти от естествен уран под формата на рядка решетка в модератора (фиг. 406). Като модератори се използват вещества, които имат ниска атомна маса и слабо абсорбират неутрони. Добри модератори са графитът, тежката вода и берилият.

Нека в една от пръчките се случи делене на ядрото на урана. Тъй като прътът е сравнително тънък, почти всички бързи вторични неутрони ще излязат в модератора. Пръчките са разположени доста рядко в решетката. Излъченият неутрон, преди да удари новата пръчка, претърпява много сблъсъци с модераторни ядра и се забавя до скоростта на топлинно движение (фиг. 407). След като удари урановата пръчка, неутронът най-вероятно ще бъде абсорбиран и ще предизвика ново делене, като по този начин ще продължи реакцията. Верижната реакция на делене е извършена за първи път в САЩ през 1942 г. група учени, ръководени от италианския физик Енрико Ферми (1901-1954) в система с естествен уран. Този процес е независимо приложен в СССР през 1946 г. Академик Игор Василиевич Курчатов (1903-1960) и неговия екип.

Ориз. 407. Развитие на ценна реакция на делене в система от природен уран и модератор. Бърз неутрон, излизащ от тънък прът, влиза в модератора и се забавя. След като се върне обратно в урана, забавеният неутрон най-вероятно се абсорбира в , причинявайки делене (символ: два бели кръга). Някои неутрони се абсорбират в , без да причиняват делене (символ: черен кръг)