В 1938 г. немецкие ученые Ган и Штрассман обнаружили, что при облучении урана нейтронами образуются элементы из середины периодической системы ‑ барий и лантан. Объяснение этого явления было

Деление ядер

В 1938 г. немецкие ученые Ган и Штрассман обнаружили, что при облучении урана нейтронами образуются элементы из середины периодической системы ‑ барий и лантан. Объяснение этого явления было дано немецкими учеными Фришем и Мейтнер. Они предположили, что захватившее нейтрон ядро урана делится на две примерно равные части, получившие название осколков деления. Дальнейшие исследования показали, что деление может происходить разными путями. Наиболее вероятным является деление на осколки, массы которых относятся как 2:3. Энергия связи, приходящаяся на один нуклон, для ядер средней массы значительно больше, чем у тяжелых ядер, следовательно, деление ядер должно сопровождаться выделением большого количества энергии. Но особенно важным оказалось то обстоятельство, что при делении каждого ядра высвобождается несколько нейтронов. Относительное количество нейтронов в тяжелых ядрах заметно больше, чем в средних ядрах. Поэтому образовавшиеся осколки оказываются сильно перегруженными нейтронами, в результате чего они выделяют по нескольку нейтронов. В среднем на каждый акт деления приходится 2.5 выделившихся нейтронов. Возникновение при делении ядер U-235, Рu-239 и U-233 нескольких нейтронов делает возможным осуществление цепной ядерной реакции. Действительно, испущенные при делении одного ядра z нейтронов могут вызвать деление z ядер, в результате будет испущено z ² новых нейтронов, которые вызовут деление z ² ядер, и т.д. Таким образом, количество нейтронов, рождающихся в каждом поколении, нарастает в геометрической прогрессии. Нейтроны, испускаемые при делении ядер U-235, имеют в среднем энергию ~2 Мэв, что соответствует скорости ~10⁷ м/с. Поэтому время, протекающее между рождением нейтрона и захватом его новым делящимся ядром, очень мало, так что процесс размножения нейтронов в делящемся веществе протекает весьма быстро. Нарисованная картина является идеальной. Процесс размножения нейтронов протекал бы описанным образом при условии, что все выделившиеся нейтроны поглощаются делящимися ядрами. В реальных условиях это далеко не так. Прежде всего из-за конечных размеров делящегося тела и большой проникающей способности нейтронов многие из них покинут зону реакции прежде, чем будут захвачены каким-либо ядром и вызовут его деление. Поверхность тела растет как квадрат, а объем ‑ как куб линейных размеров. Поэтому относительная доля вылетающих наружу нейтронов уменьшается с ростом массы делящегося вещества. Природный уран содержит 99,27% изотопа U-238, 0,72% U-235 и около 0,01% U-234. Таким образом, на каждое делящееся под действием нейтронов ядро U-235 приходится 140 ядер U-238, которые захватывают нейтроны без деления. Поэтому в природном уране цепная реакция деления не возникает.

Цепная ядерная реакция в уране может быть осуществлена двумя способами. Первый способ заключается в выделении из природного урана делящегося изотопа U-235. Вследствие химической неразличимости изотопов разделение их представляет собой весьма трудную задачу. Однако она была решена несколькими методами.

В куске чистого U-235 каждый захваченный ядром нейтрон вызывает деление с испусканием ~2.5 новых нейтронов. Однако, если масса такого куска меньше определенного критического значения (составляющего для U-235 по вычислениям Гейзенберга примерно 9 кг), то большинство испущенных нейтронов вылетает наружу, не вызвав деления, так что цепная реакция не возникает. При массе, большей критической, нейтроны быстро размножаются, и реакция приобретает взрывной характер. На этом основано действие атомной бомбы. Ядерный заряд такой бомбы представляет собой два или более кусков почти чистого U-235 или Рu-239 (1). Масса каждого куска меньше критической, вследствие чего цепная реакция не возникает. Чтобы вызвать взрыв, достаточно соединить части ядерного заряда в один кусок с массой, большей критической. Это нужно делать очень быстро и соединение кусков должно быть очень плотным. Для соединения используется обычное взрывчатое вещество (2), с помощью которого одной частью ядерного заряда выстреливают в другую. Все устройство заключено в массивную оболочку из металла большой плотности (3).

Термоядерные реакции

Ядерный синтез, т.е. слияние легких ядер в одно ядро, сопровождается, как и деление тяжелых ядер, выделением огромных количеств энергии. Поскольку для синтеза ядер необходимы высокие температуры, этот процесс называется термоядерной реакцией. Характерная температура термоядерной реакции порядка 10⁹°К. Однако, синтез легких ядер может протекать и при значительно меньших температурах. Дело в том, что из-за случайного распределения частиц по скоростям всегда имеется некоторое число ядер, энергия которых значительно превышает среднее значение.

Особенно благоприятны условия для синтеза ядер дейтерия и трития, так как реакция между ними носит резонансный характер. Именно эти вещества образуют заряд водородной (или термоядерной) бомбы. Запалом в такой бомбе служит обычная атомная бомба, при взрыве которой возникает температура порядка 10⁷°К. Реакция синтеза дейтерия и трития сопровождается выделением энергии, равной ~3,5 Мэв/нуклон. Синтез ядер водорода в ядра гелия является источником энергии Солнца и звезд, температура в недрах которых достигает 10⁷ – 10⁸ K.

В водородной бомбе термоядерная реакция носит неконтролируемый характер. Для осуществления управляемых термоядерных реакций необходимо создать и поддерживать в некотором объеме температуру порядка 10⁸ К. При столь высокой температуре вещество представляет собой полностью ионизированную плазму. На пути осуществления управляемой термоядерной реакции стоят огромные трудности. Наряду с необходимостью получить чрезвычайно высокие температуры, возникает проблема удержания плазмы в заданном объеме. Соприкосновение плазмы со стенками сосуда приведет к ее остыванию. Кроме того, стенка из любого вещества при такой температуре немедленно испарится. Русские физики А.Д. Сахаров и И.Е. Тамм предложили удерживать плазму в заданном объеме с помощью магнитного поля.

Осуществление управляемого термоядерного синтеза даст человечеству практически неисчерпаемый источник энергии. Поэтому работы по овладению управляемыми термоядерными реакциями ведутся во многих странах.

Подробнее читайте

1. И.В. Савельев. Курс общей физики. т. 3.

2. С.Э. Фриш, А.В. Тиморева. Курс общей физики. т. 3.

Дата добавления: 2015-08-29