§ 265.  Реакция деления ядра

К началу 40-х годов работами многих уче­ных— Э.Ферми (Италия), О. Гана (1879—1968), Ф. Штрассмана (1902— 1980) (ФРГ). О. Фриша (1904—1979) (Великобритания), Л. Мейтнер (1878— 1968) (Австрия), Г. Н. Флерова (р. 1913), К. Н. Петржака (СССР) — было доказа­но, что при облучении урана нейтронами образуются элементы из середины перио­дической системы — лантан и барий. Этот результат положил начало ядерным ре­акциям совершенно нового типа — реак­циям деления ядра, заключающимся в том, что тяжелое ядро под действием нейтронов, а как впоследствии оказалось, и других частиц делится на несколько более легких ядер (осколков), чаще всего на два ядра, близких по массе.

Замечательной особенностью деления ядер является то, что оно сопровождается испусканием двух-трех вторичных нейтронов, называемых нейтронами деления. Так как для средних ядер число нейтронов примерно равно числу протонов (N/Z»1) 1), а для тяжелых ядер число нейтронов значительно превышает число протонов (NIZ»1,6), то образовавшиеся осколки деления перегружены нейтронами, в ре­зультате чего они и выделяют нейтроны деления. Однако испускание нейтронов де­ления не устраняет полностью перегрузку ядер-осколков нейтронами. Это приводит к тому, что осколки оказываются радио­активными. Они могут претерпеть ряд b^--превращений, сопровождаемых ис­пусканием g-квантов. Так как b^--распад сопровождается превращением нейтрона в протон (см. (258.1)), то после цепочки b^--превращений соотношение между ней­тронами и протонами в осколке достигнет величины, соответствующей стабильному изотопу. Например, при делении ядра урана ²³⁵₉₂U

²³⁵₉₂U+¹₀n®¹³⁹₅₄Xe+⁹⁵₃₈Sr+2¹₀n  (265.1)

осколок деления ¹³⁹₅₄Xe в результате трех актов b^--распада превращается в ста­бильный изотоп лантана ¹³⁹₅₇La:

¹³⁹₅₄Xe ^b-®¹³⁹₅₅Cs^b-® ¹³⁹₅₆Ba^b-®¹³⁹₅₇La.

Осколки деления могут быть разно­образными, поэтому реакция (265.1) не единственная, приводящая к делению ²³⁵₉₂U. Возможна, например, реакция

²³⁵92U+¹₀n®¹³⁹₅₆Ba+⁹⁴₃₆Kr+3¹₀n. Большинство нейтронов при делении испускается практически мгновенно (t£10^-14с), а часть (около 0,7%) ис­пускается осколками деления спустя не­которое время после деления (0,05 с£t60 с). Первые из них называются мгновенными, вторые — запаздывающи­ми. В среднем на каждый акт деления приходится 2,5 испущенных нейтронов. Они имеют сравнительно широкий энерге­тический спектр в пределах от 0 до 7 МэВ, причем на один нейтрон в среднем при­ходится энергия около 2МэВ.

Расчеты показывают, что деление ядер должно сопровождаться также выделени-

 

430

ем большого количества энергии. В самом деле, удельная энергия связи для ядер средней массы составляет примерно 8,7 МэВ, в то время как для тяжелых ядер она равна 7,6 МэВ (см. §252). Следова­тельно, при делении тяжелого ядра на два осколка должна освобождаться энергия, равная примерно 1,1 МэВ на один нук­лон.

Эксперименты подтверждают, что при каждом акте деления действительно вы­деляется огромная энергия, которая рас­пределяется между осколками (основная доля), нейтронами деления, а также меж­ду продуктами последующего распада осколков деления.

В основу теории деления атомных ядер (Н. Бор, Я. И. Френкель) положена ка­пельная модель ядра (см. §254). Ядро рассматривается как капля электрически заряженной несжимаемой жидкости (с плотностью, равной ядерной, и подчиняю­щейся законам квантовой механики), частицы которой при попадании нейтрона в ядро приходят в колебательное движе­ние, в результате чего ядро разрывается на две части, разлетающиеся с огромной энергией.

Вероятность деления ядер определяет­ся энергией нейтронов. Например, если высокоэнергетичные нейтроны (см. §264) вызывают деление практически всех ядер, то нейтроны с энергией в несколько мега-электрон-вольт — только тяжелых ядер (A>210). Нейтроны, обладающие энер­гией активации (минимальной энергией, необходимой для осуществления реакции деления ядра) порядка 1 МэВ, вызывают деление ядер урана ²³⁸₉₂U, тория ²³²₉₀Th, про­тактиния ²³¹₉₁Pa и плутония ²³⁹₉₄Pu. Тепло­выми нейтронами делятся ядра ²³⁵₉₂U, ²³⁹₉₄Pu и ²³³₉₂U, ²³⁰₉₀Th (два последних изотопа в природе не встречаются, они получаются искусственным путем). Например, изотоп ²³³₉₂U получается в результате радиацион­ного захвата (реакции (n, g), см. §264) нейтронов ядром ²³²₉₀Th: