انشطار نوى اليورانيوم. سلسلة من ردود الفعل. وصف عملية

تقسيم الأساسية - وهو تقسيم ذرة ثقيلة إلى قسمين شظايا من وزن متساو تقريبا، تليها تحرير كمية كبيرة من الطاقة.

اكتشاف بداية الانشطار النووي عهد جديد - "العصر النووي". إمكانيات استخداماتها الممكنة وميزان المخاطر للاستفادة من استخدامه، أدت إلى الكثير من الإنجازات الاجتماعية والسياسية والاقتصادية والعلمية، ولكن أيضا مشكلة خطيرة ليس فقط. حتى من وجهة نظر علمية بحتة، خلقت عملية الانشطار النووي عدد كبير من الألغاز والتعقيدات، وشرحا نظريا كاملا لأنه هو شيء من المستقبل.

تقاسم - مفيدة

طاقة الربط (لكل نيوكلون) تختلف في نوى مختلفة. أثقل ديك الطاقة ملزمة أقل من أن تقع في منتصف الجدول الدوري.

وهذا يعني أن النوى الثقيلة فيها الذري عدد أكبر من 100، مقسمة إلى قسمين مفيد أجزاء أصغر، وبالتالي الإفراج عن الطاقة التي يتم تحويلها إلى طاقة حركية من شظايا. وهذا ما يسمى عملية تقسيم نواة الذرة.

وفقا لمنحنى الاستقرار، مما يدل على اعتماد عدد البروتونات من نظير مستقر لالنيوترون نواة أثقل يفضل عدد كبير من النيوترونات (مقارنة مع عدد البروتونات) من أخف وزنا. وهذا يشير إلى أنه بالإضافة إلى عملية تقسيم ستنبعث بعض النيوترونات "الغيار". وبالإضافة إلى ذلك، فإنها سوف تتخذ أيضا على بعض من الطاقة المنطلقة. أظهرت دراسة الانشطار ذرات اليورانيوم أن هذا يولد النيوترون 3-4: U → ^{238 145 90} + لا + برازيلي 3N.

العدد الذري (والكتلة الذرية) من جزء لا يساوي نصف الكتلة الذرية للشركة الأم. الفرق بين جماهير الذرات تتكون نتيجة الانقسام هو عادة حوالي 50. ومع ذلك، فإن السبب في ذلك ليست واضحة تماما حتى الآن.

الطاقات ملزم من ²³⁸ U و ¹⁴⁵ لا برازيلي و ⁹⁰ هي 1803، 1198 و 763 إلكترون فولت على التوالي. وهذا يعني أن يتم إطلاق الطاقة انشطار اليورانيوم يساوي 1198 + 158 = 763-1803 إلكترون فولت الناتج عن التفاعل.

الانشطار النووي

ومن المعروف عمليات تقسيم عفوية في الطبيعة، لكنها نادرة جدا. متوسط عمر هذه العملية حوالي 10 ^17، وعلى سبيل المثال، فإن متوسط عمر ألفا تسوس من النويدات المشعة حوالي 10 ^11.

والسبب في ذلك هو أنه من أجل فصل إلى قسمين، جوهر يجب أولا الخضوع لتشويه (التمدد) في شكل بيضاوي، وبعد ذلك، قبل الانقسام النهائي إلى قسمين شظايا تشكيل "الرقبة" في الوسط.

حاجز محتمل

في حالة مشوهة في صميم القوتين. واحد منهم - زيادة الطاقة السطحية (التوتر السطحي من قطرات سائلة يفسر شكلها كروي)، والآخر - التنافر كولوم بين شظايا الانشطار. معا أنها تنتج حاجز المحتملين.

كما هو الحال في حالة اضمحلال ألفا أن يحدث الانشطار النووي لنواة اليورانيوم الذري، يجب شظايا التغلب على هذا الحاجز عن طريق نفق ميكانيكا الكم. الحاجز حوالي 6 إلكترون فولت، كما في حالة ألفا الاضمحلال، ولكن احتمال نفق من جسيمات α أكبر بكثير من أثقل بكثير ذرة تقسيم المنتج.

تدهور أجبرت

أكثر من ذلك بكثير على الأرجح هو فعل انشطار نوى اليورانيوم. في هذه الحالة، يتم المشع النواة الأم مع النيوترونات. إذا كان أحد الوالدين فإنه يمتص، ثم لا بد أنها للافراج عن طاقة الربط في شكل من أشكال الطاقة الذبذبات التي يمكن أن تتجاوز 6 إلكترون فولت المطلوبة للتغلب على حاجز المحتملين.

حيث الطاقة النيوترون إضافية ليست كافية للتغلب على حاجز محتمل، يجب أن يكون النيوترون الحادث حد أدنى من الطاقة الحركية من أجل أن تكون قادرة على إحداث تقسيم الذرة. في حالة ²³⁸ U إضافية النيوترون الطاقة ملزمة مفقود حوالي 1 إلكترون فولت. وهذا يعني أن انشطار نواة اليورانيوم يتسبب النيوترونات فقط مع الطاقة الحركية أكبر من 1 إلكترون فولت. من ناحية أخرى، فإن U النظائر ²³⁵ نيوترونا أونبايريد واحد. عندما تمتص نواة إضافية، وأنها تشكل مع ذلك عدة والطاقة ملزمة إضافية هو نتيجة لهذا الاقتران. وهذا يكفي لإطلاق كمية من الطاقة اللازمة للتغلب على حاجز المحتمل للنواة وتقسيم النظائر وقعت في حادث تصادم مع أي النيوترون.

تسوس بيتا

وعلى الرغم من حقيقة أن التفاعل الانشطاري وتنبعث من ثلاثة أو أربعة النيوترونات، شظايا لا تزال تحتوي على المزيد من النيوترونات من أيسوبار بهم مستقرة. وهذا يعني أن شظايا الانقسام غير مستقرة عموما فيما يتعلق تحلل بيتا.

على سبيل المثال، عندما يكون هناك تقسيم نواة اليورانيوم ²³⁸ U، أيسوبار مستقرة مع A = 145 ¹⁴⁵ غير النيوديميوم بدون تاريخ، وهو ما يعني أن اللانثانم جزء لا تتشكل ¹⁴⁵ الانقسامات إلى ثلاث مراحل، في كل مرة من قبل يشع الإلكترون والنيوترينو حتى نظير مستقر. أيسوبار مستقرة مع A = 90 ⁹⁰ هو عنصر الزركون الزركونيوم، لذلك انشقاق جزء برومو برازيلي ⁹⁰ الانقسامات إلى خمس مراحل سلسلة β الاضمحلال.

هذه β-تسوس سلسلة تنبعث الطاقة الزائدة التي تتم بعيدا كلها تقريبا من الإلكترون والنيوترينو.

التفاعلات النووية: انشطار اليورانيوم

نوية مباشرة من إشعاع النيوترون مع عدد كبير جدا منهم لضمان استقرار النواة من غير المرجح. هنا وهذه النقطة هي أنه لا يوجد تنافر كولومب، وهكذا يميل الطاقة السطحية للاحتفاظ النيوترون يرجع إلى الأصل. ومع ذلك، فإنه يحدث في بعض الأحيان. على سبيل المثال، الانشطار جزء برازيلي ⁹⁰ في أول اضمحلال بيتا تنتج الكريبتون-90، التي قد تكون موجودة في حالة مثارة مع ما يكفي من الطاقة للتغلب على طاقة السطح. في هذه الحالة قد تحدث إشعاع النيوترون مباشرة لتشكيل الكريبتون-89. هذا أيسوبار لا تزال غير مستقرة فيما يتعلق اضمحلال بيتا لم تذهب بعد إلى الإيتريوم-89 مستقرة، بحيث يتم تقسيم الكريبتون-89 إلى ثلاث مراحل.

اليورانيوم الانشطاري: سلسلة من ردود الفعل

النيوترونات المنبعثة في رد فعل الانقسام يمكن استيعابها من قبل غيرها من الوالدين والنواة، الذي يخضع لثم الانشطار الذاتي الناجم. في حالة من اليورانيوم 238 ثلاثة نيوترونات، والتي تنشأ مع الطاقات أقل من 1 إلكترون فولت (الطاقة المنطلقة في انشطار نواة اليورانيوم - 158 إلكترون فولت - تحويل معظمها إلى شظايا الانقسام الطاقة الحركية)، لذلك لا يمكن ان يؤدي الى تقسيم آخر لهذا نوية. ومع ذلك، إذا كان تركيز كبير من النظائر النادرة U ²³⁵ هذه النيوترونات الحرة يمكن أن يتم القبض على من نوى ²³⁵ U، فإنه يمكن أن يسبب في الواقع الانقسام، لأنه في هذه الحالة لا يوجد عتبة الطاقة أدناه والتي لا يسببها الانقسام.

هذا هو سلسلة من ردود الفعل من حيث المبدأ.

أنواع التفاعلات النووية

دعونا ك - عدد النيوترونات التي تنتج في عينة من المواد الانشطارية في خطوة ن من السلسلة، مقسوما على عدد من النيوترونات التي تنتج في مرحلة ن - 1. هذا العدد سيعتمد على عدد من النيوترونات التي تنتج في خطوة ن - 1، يتم استيعابها من قبل الأساسية، التي يمكن للانشطار النووي التي يسببها.

• إذا ك <1 على، سلسلة من ردود الفعل هو ببساطة يفقد قوته وسوف تتوقف عملية بسرعة كبيرة. هذا هو ما يحدث في الطبيعي خام اليورانيوم، الذي ^{تركيز 235} U صغيرة جدا أن احتمال امتصاص النيوترونات هذا النظير لا يكاد يذكر غاية.

• إذا ك> 1، وسوف تستمر سلسلة من ردود الفعل في النمو طالما جميع المواد الانشطارية لن تستخدم (القنبلة الذرية). ويتحقق ذلك من خلال إثراء خام الطبيعي للحصول على تركيز عال بما فيه الكفاية من اليورانيوم 235. لزيادة ك قيمة عينة كروية مع احتمال امتصاص النيوترونات، التي تعتمد على نصف قطر الكرة. لذلك يجب U الوزن تتجاوز كتلة حرجة معينة لانشطار اليورانيوم (سلسلة من ردود الفعل) يمكن أن تحدث.

• إذا ك = 1، ثم هناك رد فعل رقابة. فهو يستخدم في المفاعلات النووية. يتم التحكم في عملية التوزيع بين قضبان اليورانيوم من الكادميوم أو البورون، والتي تمتص أكثر من النيوترونات (وهذه العناصر هي قادرة على التقاط النيوترونات). تقسيم النوى اليورانيوم يتم التحكم تلقائيا عن طريق تحريك قضيب بحيث تبقى قيمة ك يساوي واحد.