Kjernefysisk fisjon er mulig under følgende forhold. Kjernefysisk fisjon: prosessen med å splitte en atomkjerne

Han begynte eksperimenter med å bestråle uran med langsomme nøytroner fra en radium-beryllium-kilde. Formålet med disse eksperimentene, som fungerte som en drivkraft for en rekke lignende eksperimenter utført i andre laboratorier, var oppdagelsen av transuraniske elementer som var ukjente på den tiden, og som skulle oppnås som et resultat av nedbrytningen av uranisotoper dannet under fangst av nøytroner. Nye radioaktive produkter ble faktisk funnet, men videre forskning viste at de radiokjemiske egenskapene til mange av de "nye transuranelementene" var annerledes enn forventet. Studiet av disse uvanlige produktene fortsatte til 1939, da radiokjemikerne Hahn og Strassmann beviste at de nye aktivitetene ikke tilhørte tunge grunnstoffer, men atomer med gjennomsnittlig vekt. Den riktige tolkningen av den uvanlige kjernefysiske prosessen ble gitt samme år av Meitner og Frisch, som foreslo at en eksitert urankjerne splittes i to fragmenter med omtrent lik masse. Basert på en analyse av bindingsenergiene til elementene i det periodiske systemet, kom de til den konklusjon at i hver fisjonshandling skulle veldig mye frigjøres stort antall energi, flere titalls ganger høyere enn energien som frigjøres under -forfall. Dette ble bekreftet av forsøkene til Frisch, som registrerte pulser fra fisjonsfragmenter i ioniseringskammeret, og Joliot, som viste, basert på målinger av banene til fragmentene, at sistnevnte har høy kinetisk energi.

Fra fig. 1 er det klart at kjerner med A = 40-120 har størst stabilitet, d.v.s. plassert i midten av det periodiske systemet. Prosessene med kombinasjon (syntese) av lette kjerner og fisjon av tunge kjerner er energisk gunstige. I begge tilfeller er de endelige kjernene lokalisert i området med verdiene til A der den spesifikke bindingsenergien er større enn den spesifikke bindingsenergien til de opprinnelige kjernene. Derfor må disse prosessene skje med frigjøring av energi. Ved å bruke data om spesifikke bindingsenergier er det mulig å estimere energien som frigjøres i en fisjonshendelse. La en kjerne med massenummer A 1 = 240 deles inn i to like fragmenter med A 2 = 120. I dette tilfellet øker den spesifikke bindingsenergien til fragmentene, sammenlignet med den spesifikke bindingsenergien til den opprinnelige kjernen, med 0,8 MeV ( fra 1 til 7,6 MeV for en kjerne med A 1 = 240 til 2 8,4 MeV for en kjerne med A 2 = 120). I dette tilfellet må energi frigjøres

E = A 1 1 - 2A 2 2 = A 1 ( 2 - 1) 240 (8,4-7,6) MeV 200 MeV.

. Elementær teori om fisjon

La oss beregne mengden energi som frigjøres under fisjon av en tung kjerne. La oss erstatte uttrykkene for bindingsenergiene til kjerner (f.1) med (f.2), og anta at A 1 = 240 og Z 1 = 90. Forsømmer siste ledd i (f.1) på grunn av dens litenhet og erstatter verdiene til parameterne a 2 og a 3 får vi

Fra dette får vi at fisjon er energetisk gunstig når Z 2 /A > 17. Verdien av Z 2 /A kalles fissibility parameter. Energien E som frigjøres under fisjon øker med økende Z 2 /A; Z 2 /A = 17 for kjerner i yttrium- og zirkoniumregionen. Fra de oppnådde estimatene er det klart at fisjon er energetisk gunstig for alle kjerner med A > 90. Hvorfor er de fleste kjerner stabile med hensyn til spontan fisjon? For å svare på dette spørsmålet, la oss se på hvordan formen på kjernen endres under fisjon.

Under fisjonsprosessen går kjernen sekvensielt gjennom følgende stadier (fig. 2): kule, ellipsoide, hantel, to pæreformede fragmenter, to sfæriske fragmenter. Hvordan endres den potensielle energien til en kjerne under ulike stadier av fisjon? Etter at fisjon har skjedd, og fragmentene er plassert i en avstand fra hverandre som er mye større enn deres radius, kan den potensielle energien til fragmentene, bestemt av Coulomb-interaksjonen mellom dem, betraktes som lik null.

La oss vurdere innledende fase deling, når kjernen, med økende r, tar form av en stadig mer langstrakt revolusjonellipsoide. På dette delingsstadiet er r et mål på kjernens avvik fra den sfæriske formen (fig. 3). På grunn av utviklingen av formen til kjernen, er endringen i dens potensielle energi bestemt av endringen i summen av overflaten og Coulomb-energiene E" n + E" k. Det antas at volumet til kjernen forblir uendret under deformasjonsprosessen. I dette tilfellet øker overflateenergien E"n, ettersom kjernens overflateareal øker. Coulomb-energien E"k avtar når den gjennomsnittlige avstanden mellom nukleonene øker. La den sfæriske kjernen, som et resultat av en liten deformasjon preget av en liten parameter, ta form av en aksialt symmetrisk ellipsoide. Det kan vises at overflateenergien E"n og Coulomb-energien E"k varierer som følger avhengig av:

Ved små ellipsoidale deformasjoner skjer økningen i overflateenergi raskere enn nedgangen i Coulomb-energi.
I området med tunge kjerner 2E n > E k øker summen av overflate- og Coulomb-energiene med økende . Fra (f.4) og (f.5) følger det at ved små ellipsoidale deformasjoner forhindrer en økning i overflateenergi ytterligere endringer i kjerneformen, og følgelig fisjon. Uttrykk (f.5) er gyldig for små verdier (små deformasjoner). Hvis deformasjonen er så stor at kjernen tar form av en manual, har overflatespenningskrefter, som Coulomb-krefter, en tendens til å skille kjernen og gi fragmentene en sfærisk form. På dette fisjonsstadiet er en økning i belastning ledsaget av en reduksjon i både Coulomb- og overflateenergi. De. med en gradvis økning i deformasjonen av kjernen, passerer dens potensielle energi gjennom et maksimum. Nå har r betydningen av avstanden mellom sentrene til fremtidige fragmenter. Når fragmentene beveger seg bort fra hverandre, vil den potensielle energien til deres interaksjon reduseres, siden Coulomb-frastøtningsenergien Ek avtar. Avhengigheten av den potensielle energien av avstanden mellom fragmentene er vist i fig. 4. Nullnivået av potensiell energi tilsvarer summen av overflate- og Coulomb-energiene til to ikke-samvirkende fragmenter.
Tilstedeværelsen av en potensiell barriere forhindrer øyeblikkelig spontan fisjon av kjerner. For at en kjerne øyeblikkelig skal dele seg, må den gis en energi Q som overstiger høyden på barrieren H. Den maksimale potensielle energien til en spaltbar kjerne er omtrent lik
e 2 Z 1 Z 2 / (R 1 + R 2), hvor R 1 og R 2 er radiene til fragmentene. For eksempel, når en gullkjerne er delt inn i to identiske fragmenter, er e 2 Z 1 Z 2 /(R 1 + R 2) = 173 MeV, og mengden energi E frigjort under fisjon () er 132 MeV. Når en gullkjerne spalter seg, er det derfor nødvendig å overvinne en potensiell barriere på rundt 40 MeV.
Jo høyere barrierehøyde H er, desto lavere er forholdet mellom Coulomb og overflateenergi E til /E p i den opprinnelige kjernen. Dette forholdet øker i sin tur med økende delbarhetsparameter Z 2 /A (). Jo tyngre kjernen er, desto lavere er høyden på barrieren H , siden spaltbarhetsparameteren øker med økende massetall:

De. I følge dråpemodellen skal det ikke være noen kjerner med Z 2 /A > 49 i naturen, siden de spontant spalter nesten øyeblikkelig (innenfor en karakteristisk kjernefysisk tid i størrelsesorden 10 -22 s). Muligheten for eksistensen av atomkjerner med Z 2 /A > 49 ("stabilitetens øy") forklares av skallstrukturen. Avhengigheten av formen, høyden til den potensielle barrieren H og fisjonsenergien E på verdien av fisjonsparameteren Z 2 /A er vist i fig. 5.

Frigjøring av energi under kjernefysisk fisjon. Som i andre kjernefysiske reaksjoner, er energien som frigjøres under fisjon ekvivalent med forskjellen i massene til de interagerende partiklene og sluttproduktene. Siden bindingsenergien til et nukleon i uran og bindingsenergien til ett nukleon i fragmenter under fisjon av uran, må energi frigjøres

Under kjernefysisk fisjon frigjøres således enorm energi, det store flertallet av den frigjøres i form av kinetisk energi av fisjonsfragmenter.

Fordeling av fisjonsprodukter etter masse. Urankjernen deler seg i de fleste tilfeller asymmetrisk. To kjernefysiske fragmenter har hhv. forskjellige hastigheter og forskjellige masser.

Fragmentene faller inn i to grupper basert på massene deres; den ene nær krypton og den andre nær xenon Massene av fragmentene forholder seg til hverandre i gjennomsnitt som Fra lovene for bevaring av energi og momentum, kan det oppnås at de kinetiske energiene til fragmentene skal være omvendt proporsjonal med deres masse:

Utbyttekurven for fisjonsproduktet er symmetrisk i forhold til den vertikale rette linjen som går gjennom punktet.

Ris. 82. Fordeling av uran fisjonsprodukter etter masse

De oppførte egenskapene gjelder hovedsakelig fisjon under påvirkning av termiske nøytroner; Ved fisjon under påvirkning av nøytroner med energier på flere eller flere, desintegrerer kjernen i ytterligere to symmetriske fragmenter i masse.

Egenskaper til fisjonsprodukter. Under fisjon av et uranatom blir svært mange skallelektroner strippet, og fisjonsfragmentene er tilnærmet multiplisert ioniserte positive ioner, som når de passerer gjennom stoffet ioniserer atomene sterkt. Derfor er rekkevidden av fragmenter i luften små og nær 2 cm.

Det er lett å fastslå at fragmentene som dannes under fisjon må være radioaktive, utsatt for å sende ut nøytroner. For stabile kjerner varierer forholdet mellom antall nøytroner og protoner avhengig av A som følger:

(se skanning)

Kjerner produsert ved fisjon ligger i midten av bordet og inneholder derfor flere nøytroner enn det som er akseptabelt for deres stabilitet. De kan frigjøres fra overflødige nøytroner både ved henfall og ved direkte emittering av nøytroner.

Forsinkede nøytroner. I en av mulige alternativer fisjon produserer radioaktivt brom. I fig. 83 viser et diagram over dets forfall, på slutten av hvilket det er stabile isotoper

Et interessant trekk ved denne kjeden er at krypton kan frigjøres fra et overskudd av nøytron enten på grunn av -forfall, eller hvis det ble dannet i en eksitert tilstand på grunn av direkte utslipp av et nøytron. Disse nøytronene vises 56 sekunder etter fisjon (levetiden er i forhold til overgangen til en eksitert tilstand, selv om den selv avgir nøytroner nesten umiddelbart.

Ris. 83. Skjema for nedbrytning av radioaktivt brom dannet i eksitert tilstand under fisjon av uran

De kalles forsinkede nøytroner. Over tid avtar intensiteten til forsinkede nøytroner eksponentielt, som med vanlig radioaktivt forfall.

Energien til disse nøytronene er lik eksitasjonsenergien til kjernen. Selv om de utgjør bare 0,75 % av alle nøytroner som sendes ut under fisjon, spiller forsinkede nøytroner en viktig rolle i kjedereaksjonen.

Spør nøytroner. Over 99 % av nøytronene frigjøres i løpet av ekstremt kort tid; de kalles prompte nøytroner.

Når man studerer fisjonsprosessen, oppstår et grunnleggende spørsmål: hvor mange nøytroner produseres i en fisjonshendelse; dette spørsmålet er viktig fordi hvis antallet er stort i gjennomsnitt, kan de brukes til å fisjonere påfølgende kjerner, dvs. muligheten for å skape en kjedereaksjon oppstår. For å løse dette problemet i 1939-1940. jobbet i nesten alle de største atomlaboratoriene i verden.

Ris. 84. Energispekteret av nøytroner oppnådd fra spaltningen av uran-235

Distribusjon av fisjonsenergi. Direkte målinger av fragmentenergien og energien som ble båret bort av andre fisjonsprodukter ga følgende omtrentlige energifordeling

Studiet av samspillet mellom nøytroner og materie førte til oppdagelsen av en ny type kjernefysiske reaksjoner. I 1939 undersøkte O. Hahn og F. Strassmann de kjemiske produktene som ble resultatet av bombardementet av urankjerner med nøytroner. Barium ble funnet blant reaksjonsproduktene - kjemisk element med en masse mye mindre enn massen til uran. Problemet ble løst av de tyske fysikerne L. Meitner og O. Frisch, som viste at når nøytroner absorberes av uran, deler kjernen seg i to fragmenter:

Hvor k > 1.

Under fisjon av en urankjerne frigjør et termisk nøytron med en energi på ~0,1 eV en energi på ~200 MeV. Det essensielle poenget er at denne prosessen er ledsaget av utseendet til nøytroner som er i stand til å forårsake fisjon av andre urankjerner - fisjonskjedereaksjon . Dermed kan ett nøytron gi opphav til en forgrenet kjede av kjernefisjoner, og antallet kjerner som deltar i fisjonsreaksjonen vil øke eksponentielt. Det har åpnet seg muligheter for bruk av fisjonskjedereaksjonen i to retninger:

· kontrollert kjernefysisk reaksjon– opprettelse av atomreaktorer;

· løpsk kjernefysisk reaksjon- opprettelse av atomvåpen.

I 1942 ble den første atomreaktoren bygget i USA. I USSR ble den første reaktoren lansert i 1946. For tiden er termisk og elektrisk energi produsert i hundrevis av atomreaktorer som opererer i ulike land fred.

Som man kan se av fig. 4.2, med økende verdi EN spesifikk bindingsenergi øker opp til EN» 50. Denne oppførselen kan forklares med en kombinasjon av krefter; Bindingsenergien til et enkelt nukleon øker hvis det ikke tiltrekkes av en eller to, men av flere andre nukleoner. Imidlertid, i elementer med massetallsverdier større EN» 50 spesifikk bindingsenergi avtar gradvis med økende EN. Dette skyldes det faktum at kjernefysiske tiltrekningskrefter er kortdistanse, med en aksjonsradius i størrelsesorden størrelsen til en individuell nukleon. Utenfor denne radiusen dominerer elektrostatiske frastøtningskrefter. Hvis to protoner er atskilt med mer enn 2,5 × 10 - 15 m, vil kreftene til Coulomb-frastøting snarere enn kjernefysisk tiltrekning råde mellom dem.

Konsekvensen av denne oppførselen spesifikk energi tilkobling avhengig av EN er eksistensen av to prosesser - kjernefysisk fusjon og fisjon . La oss vurdere samspillet mellom et elektron og et proton. Når et hydrogenatom dannes, frigjøres en energi på 13,6 eV og massen til hydrogenatomet er 13,6 eV mindre enn summen av massene til et fritt elektron og et proton. Tilsvarende overstiger massen til to lette kjerner massen etter deres kombinasjon på D M. Hvis du kobler dem sammen, vil de smelte sammen og frigjøre energi D Ms 2. Denne prosessen kalles kjernefysisk fusjon . Masseforskjellen kan overstige 0,5 %.

Hvis en tung kjerne deler seg i to lettere kjerner, vil massen deres være 0,1 % mindre enn massen til foreldrekjernen. Tunge kjerner har en tendens til inndeling til to lettere kjerner med frigjøring av energi. Energien til atombomben og atomreaktor representerer energi , frigjort under kjernefysisk fisjon . Energi hydrogenbombe er energien som frigjøres under kjernefysisk fusjon. Alfa-forfall kan betraktes som en svært asymmetrisk fisjon der foreldrekjernen M deler seg i en liten alfapartikkel og en stor gjenværende kjerne. Alfa-forfall er bare mulig hvis reaksjonen

vekt M viser seg å være større enn summen av massene og alfapartikkelen. Alle kjerner med Z> 82 (bly) .Kl Z> 92 (uran) alfa-nedbrytningshalveringstider viser seg å være betydelig lengre enn jordens alder, og slike grunnstoffer forekommer ikke i naturen. Imidlertid kan de lages kunstig. For eksempel, plutonium ( Z= 94) kan fås fra uran i en atomreaktor. Denne prosedyren har blitt vanlig og koster kun 15 dollar per 1 g Så langt har det vært mulig å skaffe elementer opp til Z= 118, men til en mye høyere pris og, som regel, i ubetydelige mengder. Man kan håpe at radiokjemikere vil lære å skaffe seg, selv om i små mengder, nye elementer med Z> 118.

Hvis en massiv urankjerne kunne deles inn i to grupper av nukleoner, ville disse gruppene av nukleoner omorganisert seg til kjerner med en sterkere binding. Under restruktureringsprosessen vil energi frigjøres. Spontan kjernefysisk fisjon er tillatt av loven om bevaring av energi. Imidlertid er den potensielle barrieren for fisjonsreaksjoner i naturlig forekommende kjerner så høy at sannsynligheten for spontan fisjon er mye mindre enn sannsynligheten for alfa-forfall. Halveringstiden til 238 U-kjerner i forhold til spontan fisjon er 8×10 15 år. Dette er mer enn en million ganger jordens alder. Hvis et nøytron kolliderer med en tung kjerne, kan det bevege seg til et høyere energinivå nær toppen av den elektrostatiske potensialbarrieren, noe som resulterer i økt sannsynlighet for fisjon. En kjerne i en opphisset tilstand kan ha et betydelig vinkelmoment og få en oval form. Områder i periferien av kjernen trenger lettere inn i barrieren, siden de delvis allerede er bak barrieren. For en ovalformet kjerne er barrierens rolle ytterligere svekket. Når en kjerne eller et sakte nøytron fanges opp, sier med svært i korte perioder liv i forhold til splittelse. Forskjellen i masse mellom urankjernen og typiske fisjonsprodukter er slik at fisjon av uran i gjennomsnitt frigjør en energi på 200 MeV. Hvilemassen til urankjernen er 2,2×10 5 MeV. Omtrent 0,1 % av denne massen omdannes til energi, som er lik forholdet 200 MeV til verdien av 2,2 × 10 5 MeV.

Energikarakter,utgitt etter divisjon,kan fås fra Weizsäckers formler :

Når en kjerne deler seg i to fragmenter, endres overflateenergien og Coulomb-energien , og overflateenergien øker, og Coulomb-energien avtar. Fisjon er mulig når energien frigjøres under fisjon E > 0.

.

Her EN 1 = EN/2, Z 1 = Z/2. Av dette får vi at fisjon er energetisk gunstig når Z 2 /EN> 17. Størrelse Z 2 /EN ringte delebarhetsparameter . Energi E, frigitt under deling, øker med økende Z 2 /EN.

Under delingsprosessen endrer kjernen form - den går sekvensielt gjennom følgende stadier (fig. 9.4): en ball, en ellipsoide, en manual, to pæreformede fragmenter, to sfæriske fragmenter.

Etter at fisjon har skjedd, og fragmentene er plassert fra hverandre i en avstand som er mye større enn deres radius, kan den potensielle energien til fragmentene, bestemt av Coulomb-interaksjonen mellom dem, betraktes som lik null.

På grunn av utviklingen av formen til kjernen, er endringen i dens potensielle energi bestemt av endringen i summen av overflaten og Coulomb-energiene . Det antas at volumet til kjernen forblir uendret under deformasjon. I dette tilfellet øker overflateenergien når overflatearealet til kjernen øker. Coulomb-energien avtar når den gjennomsnittlige avstanden mellom nukleoner øker. Ved små ellipsoidale deformasjoner skjer økningen i overflateenergi raskere enn nedgangen i Coulomb-energi.

I området med tunge kjerner øker summen av overflate- og Coulomb-energier med økende deformasjon. Ved små ellipsoidale deformasjoner forhindrer en økning i overflateenergi ytterligere endringer i formen på kjernen, og derfor fisjon. Tilstedeværelsen av en potensiell barriere forhindrer umiddelbar spontan fisjon av kjerner. For at en kjerne skal dele seg øyeblikkelig, må den gis en energi som overstiger høyden på fisjonsbarrieren N.

Sperrehøyde N jo mindre forholdet mellom Coulomb og overflateenergi i den opprinnelige kjernen er, jo større. Dette forholdet øker i sin tur med økende delbarhetsparameter Z 2 /EN. Jo tyngre kjernen er, jo lavere er høyden på barrieren N, siden spaltbarhetsparameteren øker med økende massetall:

Tyngre kjerner trenger generelt å gi mindre energi for å forårsake fisjon. Fra Weizsäcker-formelen følger det at høyden på fisjonsbarrieren forsvinner ved . De. I henhold til dråpemodellen skal kjerner med være fraværende i naturen, siden de spontant spalter nesten øyeblikkelig (innenfor en karakteristisk kjernefysisk tid i størrelsesorden 10–22 s). Eksistensen av atomkjerner med (" stabilitetens øy ") forklares av skallstrukturen til atomkjerner. Spontan fisjon av kjerner med , som sperrehøyden for N er ikke lik null, fra klassisk fysikks synspunkt er det umulig. Fra kvantemekanikkens synspunkt er slik deling mulig som et resultat av at fragmenter passerer gjennom en potensiell barriere og kalles spontan fisjon . Sannsynligheten for spontan fisjon øker med økende spaltbarhetsparameter, dvs. med avtagende fisjonsbarrierehøyde.

Tvunget fisjon av kjerner med kan være forårsaket av alle partikler: fotoner, nøytroner, protoner, deuteroner, α-partikler, etc., hvis energien de bidrar med til kjernen er tilstrekkelig til å overvinne fisjonsbarrieren.

Massene av fragmenter dannet under fisjon av termiske nøytroner er ikke like. Kjernen har en tendens til å splitte seg på en slik måte at hoveddelen av nukleonene i fragmentet danner en stabil magisk kjerne. I fig. Figur 9.5 viser massefordelingen under deling. Den mest sannsynlige kombinasjonen av massetall er 95 og 139.

Forholdet mellom antall nøytroner og antall protoner i kjernen er 1,55, mens for stabile elementer som har en masse nær massen av fisjonsfragmenter, er dette forholdet 1,25 - 1,45. Følgelig er fisjonsfragmenter kraftig overbelastet med nøytroner og er ustabile overfor β-forfall - radioaktivt.

Som et resultat av fisjon frigjøres energi på ~200 MeV. Omtrent 80 % av det kommer fra energien til fragmenter. I løpet av en fisjonsakt dannes det mer enn to fisjonsnøytroner med en gjennomsnittlig energi på ~2 MeV.

1 g av ethvert stoff inneholder . Splittingen av 1 g uran er ledsaget av frigjøring av ~ 9 × 10 10 J. Dette er nesten 3 millioner ganger større enn energien til å brenne 1 g kull (2,9 × 10 4 J). Selvfølgelig er 1 g uran mye dyrere enn 1 g kull, men kostnaden for 1 J energi oppnådd ved å brenne kull er 400 ganger høyere enn for uranbrensel. Å produsere 1 kWh energi kostet 1,7 øre ved kullkraftverk og 1,05 øre ved atomkraftverk.

Takk til kjedereaksjon kjernefysisk fisjonsprosess kan gjøres selvopprettholdende . Ved hver fisjon frigjøres 2 eller 3 nøytroner (fig. 9.6). Hvis en av disse nøytronene klarer å forårsake fisjon av en annen urankjerne, vil prosessen være selvopprettholdende.

En samling av spaltbart materiale som tilfredsstiller dette kravet kalles kritisk forsamling . Den første slike forsamling, kalt atomreaktor , ble bygget i 1942 under ledelse av Enrico Fermi på eiendommen til University of Chicago. Den første atomreaktoren ble skutt opp i 1946 under ledelse av I. Kurchatov i Moskva. Først kjernekraftverk med en kapasitet på 5 MW ble lansert i USSR i 1954 i Obninsk (fig. 9.7).

Masse og du kan også gjøre superkritisk . I dette tilfellet vil nøytronene som genereres under fisjon forårsake flere sekundære fisjon. Fordi nøytroner beveger seg med hastigheter over 10 8 cm/s, kan en superkritisk enhet reagere fullstendig (eller fly fra hverandre) på mindre enn en tusendels sekund. En slik enhet kalles atombombe . En atomladning laget av plutonium eller uran overføres til en superkritisk tilstand, vanligvis ved hjelp av en eksplosjon. Den subkritiske massen er omgitt av kjemiske eksplosiver. Når den eksploderer, gjennomgår plutonium- eller uranmassen øyeblikkelig kompresjon. Siden tettheten til sfæren øker betydelig, viser absorpsjonshastigheten av nøytroner seg å være høyere enn frekvensen av tap av nøytroner på grunn av deres rømning utover. Dette er betingelsen for superkritikk.

I fig. Figur 9.8 viser et diagram av Little Boy-atombomben som ble sluppet på Hiroshima. Atomeksplosivet i bomben ble delt i to deler, hvis masse var mindre enn den kritiske massen. Den kritiske massen som kreves for eksplosjonen ble skapt ved å koble begge deler "ved pistolmetoden" ved bruk av konvensjonelle eksplosiver.

Eksplosjonen av 1 tonn trinitrotoluen (TNT) frigjør 10 9 cal, eller 4 × 10 9 J. Eksplosjonen av en atombombe som forbruker 1 kg plutonium frigjør omtrent 8 × 10 13 J energi.

Eller dette er nesten 20 000 ganger mer enn eksplosjonen på 1 tonn TNT. En slik bombe kalles en 20 kilotons bombe. Moderne megatonbomber er millioner av ganger kraftigere enn konvensjonelle TNT-eksplosiver.

Produksjonen av plutonium er basert på bestråling av 238 U med nøytroner, noe som fører til dannelsen av isotopen 239 U, som, som et resultat av beta-forfall, blir til 239 Np, og deretter etter et nytt beta-forfall til 239 Pu. Når et lavenerginøytron absorberes, gjennomgår begge isotopene 235 U og 239 Pu fisjon. Fisjonsprodukter er preget av sterkere binding (~1 MeV per nukleon), på grunn av dette frigjøres ca. 200 MeV energi som et resultat av fisjon.

Hvert gram plutonium eller uran som forbrukes produserer nesten et gram radioaktive fisjonsprodukter, som har enorm radioaktivitet.

For å se demoer, klikk på den aktuelle hyperlenken:

Hvordan denne prosessen ble oppdaget og beskrevet. Dens bruk som energikilde og atomvåpen blir avslørt.

"Udelelig" atom

Det tjueførste århundre er fylt med slike uttrykk som "atomenergi", "atomteknologi", "radioaktivt avfall". Nå og da, avisoverskrifter blinker rapporter om muligheten for radioaktiv forurensning av jord, hav og is i Antarktis. Imidlertid har den vanlige personen ofte ikke en veldig god ide om hva dette vitenskapsfeltet er og hvordan det hjelper i hverdagen. Det er kanskje verdt å begynne med historien. Helt fra det første spørsmålet som en velnært og kledd mann stilte, var han interessert i hvordan verden fungerer. Hvordan øyet ser, hvorfor øret hører, hvordan vann skiller seg fra stein - det er dette som har bekymret vismennene i uminnelige tider. Inn igjen oldtidens India og Hellas, antydet noen nysgjerrige hjerner at det var en minimal partikkel (den ble også kalt "udelelig") som hadde egenskapene til et materiale. Middelalderske kjemikere bekreftet vismennenes gjetning, og den moderne definisjonen av et atom er som følger: et atom er den minste partikkelen av et stoff som er bæreren av dets egenskaper.

Deler av et atom

Utviklingen av teknologi (spesielt fotografi) har imidlertid ført til at atomet ikke lenger regnes som den minste mulige materiepartikkel. Og selv om et enkelt atom er elektrisk nøytralt, innså forskerne raskt at det består av to deler med forskjellige ladninger. Antall positivt ladede deler kompenserer for antall negative, slik at atomet forblir nøytralt. Men det var ingen entydig modell av atomet. Siden klassisk fysikk fortsatt var dominerende på den tiden, ble det gjort ulike antakelser.

Atom-modeller

Først ble modellen "rosinbolle" foreslått. Den positive ladningen så ut til å fylle hele rommet i atomet, og negative ladninger ble fordelt i den, som rosiner i en bolle. Den berømte bestemte følgende: i midten av atomet er det et veldig tungt element med positiv ladning (kjerne), og mye lettere elektroner er plassert rundt det. Massen til kjernen er hundrevis av ganger tyngre enn summen av alle elektronene (den utgjør 99,9 prosent av massen til hele atomet). Dermed ble Bohrs planetmodell av atomet født. Noen av dens elementer var imidlertid i strid med klassisk fysikk som var akseptert på den tiden. Derfor ble en ny, kvantemekanikk, utviklet. Med sin ankomst begynte den ikke-klassiske vitenskapsperioden.

Atom og radioaktivitet

Fra alt som er sagt ovenfor, blir det klart at kjernen er den tunge, positivt ladede delen av atomet, som utgjør hoveddelen. Når posisjonene til elektroner i banen til et atom ble godt studert, var det på tide å forstå atomkjernens natur. Den geniale og uventet oppdagede radioaktiviteten kom til unnsetning. Det bidro til å avsløre essensen av den tunge sentrale delen av atomet, siden kilden til radioaktivitet er kjernefysisk fisjon. Ved overgangen til det nittende og tjuende århundre kom funnene etter hverandre. Teoretisk løsning en oppgave nødvendiggjorde behovet for å utføre nye eksperimenter. Resultatene av eksperimentene ga opphav til teorier og hypoteser som måtte bekreftes eller avkreftes. Ofte oppsto de største funnene ganske enkelt fordi det var på denne måten formelen ble praktisk for beregninger (som for eksempel Max Plancks kvante). Selv i begynnelsen av fotografiets æra visste forskerne at uransalter belyser lysfølsom film, men de mistenkte ikke at kjernefysisk fisjon er grunnlaget for dette fenomenet. Derfor ble radioaktivitet studert for å forstå arten av kjernefysisk forfall. Det er åpenbart at strålingen ble generert av kvanteoverganger, men det var ikke helt klart hvilke nøyaktig. Curies utvunnet rent radium og polonium, og behandlet uranmalm nesten for hånd for å svare på dette spørsmålet.

Radioaktiv ladning

Rutherford gjorde mye for å studere strukturen til atomet og bidro til studiet av hvordan fisjon av atomkjernen skjer. Forskeren plasserte strålingen fra et radioaktivt grunnstoff i et magnetfelt og fikk et fantastisk resultat. Det viste seg at stråling består av tre komponenter: en var nøytral, og de to andre var positivt og negativt ladet. Studiet av kjernefysisk fisjon begynte med identifiseringen av komponentene. Det ble bevist at kjernen kan dele seg og gi fra seg deler av sin positive ladning.

Kjernestruktur

Senere viste det seg at atomkjernen ikke bare består av positivt ladede partikler av protoner, men også av nøytrale partikler av nøytroner. Sammen kalles de nukleoner (fra engelsk "nucleus", nucleus). Imidlertid møtte forskere igjen et problem: massen av kjernen (det vil si antall nukleoner) samsvarte ikke alltid med ladningen. I hydrogen har kjernen en ladning på +1, og massen kan være tre, to eller en. Det neste heliumet i det periodiske systemet har en kjerneladning på +2, mens kjernen inneholder fra 4 til 6 nukleoner. Mer komplekse elementer kan ha mye flere forskjellige masser med samme ladning. Disse variasjonene av atomer kalles isotoper. Dessuten viste noen isotoper seg å være ganske stabile, mens andre raskt forfalt, siden de var preget av kjernefysisk fisjon. Hvilket prinsipp samsvarte antallet nukleoner med stabiliteten til kjernene? Hvorfor førte tilsetning av bare ett nøytron til en tung og fullstendig stabil kjerne til at den splittes og frigjorde radioaktivitet? Merkelig nok er svaret på dette viktige spørsmålet ennå ikke funnet. Det viste seg eksperimentelt at stabile konfigurasjoner av atomkjerner tilsvarer et visst antall protoner og nøytroner. Hvis det er 2, 4, 8, 50 nøytroner og/eller protoner i kjernen, vil kjernen definitivt være stabil. Disse tallene kalles til og med magi (og dette er hva voksne forskere og kjernefysikere kalte dem). Dermed avhenger fisjon av kjerner av deres masse, det vil si antall nukleoner som er inkludert i dem.

Dråpe, skall, krystall

Bestem faktoren som er ansvarlig for stabiliteten til kjernen, på for øyeblikket mislyktes. Det er mange teorier om modellen De tre mest kjente og utviklede motsier ofte hverandre på ulike spørsmål. Ifølge den første er kjernen en dråpe av en spesiell kjernefysisk væske. I likhet med vann er det preget av fluiditet, overflatespenning, koalescens og desintegrasjon. I skallmodellen er det også visse energinivåer i kjernen som er fylt med nukleoner. Den tredje hevder at kjernen er et medium som er i stand til å bryte spesielle bølger (De Broglie-bølger), og brytningsindeksen er. , begynner spaltningen av kjernen.

Hvordan skjer forfallet?

Radioaktivitet, som nevnt ovenfor, ble oppdaget i stoffer som kan finnes i naturen: uran, polonium, radium. For eksempel er nyutvunnet, rent uran radioaktivt. Splittingsprosessen i dette tilfellet vil være spontan. Uten ytre påvirkninger et visst beløp uranatomer vil avgi alfapartikler, som spontant omdannes til thorium. Det er en indikator som heter halveringstid. Den viser i hvilken tidsperiode omtrent halvparten av delens opprinnelige nummer vil være igjen. Hvert radioaktivt grunnstoff har sin egen halveringstid - fra brøkdeler av et sekund for californium til hundretusenvis av år for uran og cesium. Men det er også indusert radioaktivitet. Hvis atomkjerner bombarderes med protoner eller alfapartikler (heliumkjerner) med høy kinetisk energi, så kan de "dele seg". Mekanismen for transformasjon er selvfølgelig forskjellig fra hvordan din mors favorittvase går i stykker. En viss analogi kan imidlertid spores.

Atomenergi

Så langt har vi ikke svart på det praktiske spørsmålet: hvor kommer energien fra under kjernefysisk fisjon? Først må vi klargjøre at under dannelsen av en kjerne, virker spesielle kjernekrefter, som kalles den sterke interaksjonen. Siden kjernen består av mange positive protoner, gjenstår spørsmålet hvordan de henger sammen, siden elektrostatiske krefter må frastøte dem fra hverandre ganske sterkt. Svaret er både enkelt og ikke: kjernen holdes sammen på grunn av den svært raske utvekslingen av spesielle partikler mellom nukleoner - pi-mesoner. Denne forbindelsen er utrolig kortvarig. Så snart utvekslingen av pi-mesoner stopper, går kjernen i oppløsning. Det er også sikkert kjent at massen til kjernen er mindre enn summen av alle dens bestanddeler nukleoner. Dette fenomenet kalles massedefekt. Faktisk er den manglende massen energien som brukes for å opprettholde integriteten til kjernen. Så snart en del er skilt fra kjernen til et atom, frigjøres denne energien og omdannes til varme i kjernekraftverk. Det vil si at kjernefysisk fisjonsenergi er en tydelig demonstrasjon av Einsteins berømte formel. La oss huske at formelen sier: energi og masse kan omdannes til hverandre (E=mc 2).

Teori og praksis

Nå skal vi fortelle deg hvordan denne rent teoretiske oppdagelsen brukes i det virkelige liv for å generere gigawatt elektrisitet. Først bør det bemerkes at kontrollerte reaksjoner bruker tvungen kjernefysisk fisjon. Oftest er dette uran eller polonium, som bombarderes av raske nøytroner. For det andre kan man ikke unngå å forstå at kjernefysisk fisjon er ledsaget av dannelsen av nye nøytroner. Som et resultat kan antallet nøytroner i reaksjonssonen øke veldig raskt. Hvert nøytron kolliderer med nye, fortsatt intakte kjerner, og splitter dem, noe som fører til en økning i varmeutgivelsen. Dette er en kjedereaksjon av kjernefysisk fisjon. En ukontrollert økning i antall nøytroner i en reaktor kan føre til en eksplosjon. Det var akkurat det som skjedde i 1986 ved atomkraftverket i Tsjernobyl. Derfor er det alltid et stoff i reaksjonssonen som absorberer overflødige nøytroner, og forhindrer en katastrofe. Dette er grafitt i form av lange stenger. Hastigheten av kjernefysisk fisjon kan reduseres ved å senke stengene i reaksjonssonen. Ligningen er kompilert spesifikt for hvert aktivt radioaktivt stoff og partiklene som bombarderer det (elektroner, protoner, alfapartikler). Den endelige energiproduksjonen beregnes imidlertid etter fredningsloven: E1+E2=E3+E4. Det vil si at den totale energien til den opprinnelige kjernen og partikkelen (E1+E2) skal være lik energi den resulterende kjernen og energien som frigjøres i fri form (E3 + E4). Ligningen for en kjernereaksjon viser også hvilket stoff som produseres som følge av forfallet. For eksempel, for uran U=Th+He, U=Pb+Ne, U=Hg+Mg. Isotoper av kjemiske grunnstoffer er ikke gitt her, men dette er viktig. For eksempel er det så mange som tre muligheter for fisjon av uran, som produserer forskjellige isotoper av bly og neon. I nesten hundre prosent av tilfellene produserer kjernefysisk fisjon radioaktive isotoper. Det vil si at nedbrytningen av uran produserer radioaktivt thorium. Thorium kan forfalle til protactinium, som til actinium, og så videre. Både vismut og titan kan være radioaktive i denne serien. Selv hydrogen, som inneholder to protoner i kjernen (normen er ett proton), kalles annerledes - deuterium. Vann dannet med slikt hydrogen kalles tungt og fyller primærkretsen i atomreaktorer.

Ufredelig atom

Uttrykk som "våpenkappløp", " kald krig", "atomtrussel" til det moderne mennesket kan virke historisk og irrelevant. Men en gang i tiden ble hver nyhetsmelding nesten over hele verden ledsaget av rapporter om hvor mange typer atomvåpen som var oppfunnet og hvordan man skulle håndtere dem. Folk bygget underjordiske bunkere og lagret forsyninger i tilfelle atomvinter. Hele familier jobbet for å skape krisesenteret. Selv fredelig bruk av kjernefysiske fisjonsreaksjoner kan føre til katastrofe. Det ser ut til at Tsjernobyl lærte menneskeheten å være forsiktig i dette området, men elementene på planeten viste seg å være sterkere: jordskjelvet i Japan skadet de svært pålitelige befestningene til Fukushima-atomkraftverket. Energien til en kjernefysisk reaksjon er mye lettere å bruke til ødeleggelse. Teknologer trenger bare å begrense eksplosjonens kraft for ikke å ødelegge hele planeten utilsiktet. De mest "humane" bombene, hvis du kan kalle dem det, forurenser ikke området rundt med stråling. Generelt bruker de oftest en ukontrollert kjedereaksjon. Det de streber etter å unngå for enhver pris i atomkraftverk oppnås i bomber på en veldig primitiv måte. For ethvert naturlig radioaktivt grunnstoff er det en viss kritisk masse av rent stoff der en kjedereaksjon starter spontant. For uran er det for eksempel bare femti kilo. Siden uran er veldig tungt, er det bare en liten metallkule på 12-15 centimeter i diameter. Først atombomber, sluppet på Hiroshima og Nagasaki, ble laget nøyaktig i henhold til dette prinsippet: to ulike deler av rent uran kom ganske enkelt sammen og genererte en skremmende eksplosjon. Moderne våpen er sannsynligvis mer sofistikerte. Vi bør imidlertid ikke glemme den kritiske massen: mellom små volumer av rent radioaktivt stoff under lagring må det være barrierer som ikke lar delene koble seg sammen.

Kilder til stråling

Alle grunnstoffer med en atomladning større enn 82 er radioaktive. Nesten alle lettere kjemiske grunnstoffer har radioaktive isotoper. Jo tyngre kjernen er, jo kortere levetid. Noen grunnstoffer (som californium) kan kun oppnås kunstig - ved å kollidere tunge atomer med lettere partikler, oftest i akseleratorer. Siden de er veldig ustabile, jordskorpen De er ikke der: under dannelsen av planeten gikk de veldig raskt i oppløsning i andre elementer. Stoffer med lettere kjerner, som uran, kan utvinnes. Denne prosessen er lang; selv svært rike malmer inneholder mindre enn én prosent uran som er egnet for gruvedrift. Den tredje banen indikerer kanskje at en ny geologisk æra allerede har begynt. Dette er utvinning av radioaktive grunnstoffer fra radioaktivt avfall. Etter at drivstoffet er behandlet på et kraftverk, på en ubåt eller på et hangarskip, oppnås en blanding av det opprinnelige uranet og det endelige stoffet, resultatet av fisjon. For øyeblikket regnes dette som fast radioaktivt avfall, og det presserende spørsmålet er hvordan det skal graves ned slik at det ikke forurenser miljø. Det er imidlertid en mulighet for at det i nær fremtid vil bli utvunnet ferdige konsentrerte radioaktive stoffer (for eksempel polonium) fra dette avfallet.

I 1934 bestemte E. Fermi seg for å skaffe transuranelementer ved å bestråle 238 U med nøytroner. E. Fermis idé var at som et resultat av β - forfallet til isotopen 239 U, dannes et kjemisk grunnstoff med atomnummer Z = 93 Det var imidlertid ikke mulig å identifisere dannelsen av det 93. elementet. I stedet, som et resultat av radiokjemisk analyse av radioaktive elementer utført av O. Hahn og F. Strassmann, ble det vist at et av produktene av uranbestråling med nøytroner er barium (Z = 56) - et kjemisk grunnstoff med gjennomsnittlig atomvekt , mens ifølge Fermi-teoriens antakelse skulle transuranelementer oppnås.
L. Meitner og O. Frisch antydet at som et resultat av fangsten av et nøytron av en urankjerne, kollapser den sammensatte kjernen i to deler

92 U + n → 56 Ba + 36 Kr + xn.

Fisjonsprosessen av uran er ledsaget av tilsynekomsten av sekundære nøytroner (x > 1), som er i stand til å forårsake fisjon av andre urankjerner, noe som åpner for potensialet for at en fisjonskjedereaksjon kan oppstå - ett nøytron kan gi opphav til en forgrenet fisjonskjede av urankjerner. I dette tilfellet bør antallet spaltede kjerner øke eksponentielt. N. Bohr og J. Wheeler beregnet den kritiske energien som kreves for at 236 U-kjernen, dannet som et resultat av nøytronfangst av 235 U-isotopen, skal dele seg. Denne verdien er 6,2 MeV, som er mindre enn eksitasjonsenergien til 236 U-isotopen som dannes under fangsten av et termisk nøytron med 235 U. Derfor, når termiske nøytroner fanges, er en fisjonskjedereaksjon på 235 U mulig vanligste isotop 238 U, er den kritiske energien 5,9 MeV, mens når et termisk nøytron fanges, er eksitasjonsenergien til den resulterende 239 U-kjernen bare 5,2 MeV. Derfor viser kjedereaksjonen av fisjon av den vanligste isotopen i naturen, 238 U, under påvirkning av termiske nøytroner seg å være umulig. I en fisjonshendelse frigjøres energi ≈ 200 MeV (til sammenligning i kjemiske reaksjoner forbrenning i en reaksjonshendelse frigjør energi ≈ 10 eV). Muligheten for å legge forholdene til rette for en fisjonskjedereaksjon har åpnet muligheter for å bruke energien fra kjedereaksjonen til å lage atomreaktorer og atomvåpen. Den første atomreaktoren ble bygget av E. Fermi i USA i 1942. I USSR ble den første atomreaktoren skutt opp under ledelse av I. Kurchatov i 1946. I 1954 startet verdens første atomkraftverk i Obninsk. For tiden genereres elektrisk energi i omtrent 440 atomreaktorer i 30 land.
I 1940 oppdaget G. Flerov og K. Petrzhak den spontane fisjon av uran. Kompleksiteten til eksperimentet er bevist av følgende figurer. Den delvise halveringstiden i forhold til spontan fisjon av 238 U-isotopen er 10 16 –10 17 år, mens nedbrytningsperioden for 238 U-isotopen er 4,5∙10 9 år. Hovedforfallskanalen til 238 U-isotopen er α-forfall. For å observere den spontane fisjonen av 238 U-isotopen, var det nødvendig å registrere en fisjonshendelse mot en bakgrunn av 10 7 –10 8 α-nedbrytningshendelser.
Sannsynligheten for spontan fisjon bestemmes hovedsakelig av fisjonsbarrierens permeabilitet. Sannsynligheten for spontan fisjon øker med økende atomladning, fordi i dette tilfellet øker divisjonsparameteren Z 2 /A. I isotoper Z< 92-95 деление происходит преимущественно с образованием двух осколков деления с отношением масс тяжёлого и лёгкого осколков 3:2. В изотопах Z >100, dominerer symmetrisk fisjon med dannelse av fragmenter med lik masse. Når atomladningen øker, øker andelen spontan fisjon sammenlignet med α-nedbrytning.

Kjernefysisk fisjon. Historie

1934- E. Fermi, som bestrålte uran med termiske nøytroner, oppdaget radioaktive kjerner blant reaksjonsproduktene, hvis art ikke kunne bestemmes.
L. Szilard fremmet ideen om en kjernefysisk kjedereaksjon.

1939− O. Hahn og F. Strassmann oppdaget barium blant reaksjonsproduktene.
L. Meitner og O. Frisch var de første som kunngjorde at under påvirkning av nøytroner ble uran delt inn i to fragmenter med sammenlignbar masse.
N. Bohr og J. Wheeler ga en kvantitativ tolkning av kjernefysisk fisjon ved å introdusere fisjonsparameteren.
Ya. Frenkel utviklet dråpeteorien om kjernefysisk fisjon av langsomme nøytroner.
L. Szilard, E. Wigner, E. Fermi, J. Wheeler, F. Joliot-Curie, Y. Zeldovich, Y. Khariton underbygget muligheten for at en kjernefysisk fisjonskjedereaksjon forekommer i uran.

1940− G. Flerov og K. Pietrzak oppdaget fenomenet spontan fisjon av uran U-kjerner.

1942− E. Fermi utførte en kontrollert fisjonskjedereaksjon i den første atomreaktoren.

1945− Den første atomvåpenprøven (Nevada, USA). Amerikanske tropper slapp atombomber over de japanske byene Hiroshima (6. august) og Nagasaki (9. august).

1946− Under ledelse av I.V. Kurchatov, den første reaktoren i Europa ble lansert.

1954− Verdens første atomkraftverk ble lansert (Obninsk, USSR).

Kjernefysisk fisjon.Siden 1934 begynte E. Fermi å bruke nøytroner for å bombardere atomer. Siden den gang har antallet stabile eller radioaktive kjerner oppnådd ved kunstig transformasjon økt til mange hundre, og nesten alle steder periodisk system fylt med isotoper.
Atomene som oppsto i alle disse kjernefysiske reaksjonene okkuperte samme plass i det periodiske systemet som det bombarderte atomet, eller nærliggende steder. Derfor skapte beviset fra Hahn og Strassmann i 1938 at når de ble bombardert med nøytroner på det siste elementet i det periodiske systemet, en stor sensasjon−uran−nedbrytning skjer til grunnstoffer som er i de midtre delene av det periodiske systemet. De opptrer her ulike typer forfall. De resulterende atomene er for det meste ustabile og forfaller umiddelbart ytterligere; noen har halveringstider målt i sekunder, så Hahn måtte bruke Curies analysemetode for å forlenge en så rask prosess. Det er viktig å merke seg at oppstrømselementene av uran, protactinium og thorium, også viser lignende forfall når de utsettes for nøytroner, selv om høyere nøytronenergier kreves for at forfall skal oppstå enn for uran. Sammen med dette, i 1940, oppdaget G.N Flerov og K.A. den spontane spaltningen av en urankjerne med den største halveringstiden kjent til da: ca.· 10 15 år; dette faktum blir tydelig på grunn av nøytronene som frigjøres under denne prosessen. Dette gjorde det mulig å forstå hvorfor det "naturlige" periodiske systemet ender med de tre navngitte elementene. Transuraniske grunnstoffer er nå blitt kjent, men de er så ustabile at de forfaller raskt.
Spaltningen av uran gjennom nøytroner gjør det nå mulig å bruke atomenergi, som mange allerede har forestilt seg som «drømmen til Jules Verne».

M. Laue, "Fysikks historie"

1939 O. Hahn og F. Strassmann, bestråling av uransalter med termiske nøytroner, oppdaget barium (Z = 56) blant reaksjonsproduktene

Otto Gann (1879 – 1968)

Kjernefisjon er spaltning av en kjerne i to (sjeldnere tre) kjerner med lignende masser, som kalles fisjonsfragmenter. Under fisjon oppstår også andre partikler - nøytroner, elektroner, α-partikler. Som et resultat av fisjon frigjøres energi på ~200 MeV. Fisjon kan være spontan eller tvunget under påvirkning av andre partikler, oftest nøytroner.
Karakteristisk trekk fisjon er at fisjonsfragmenter som regel avviker betydelig i masse, det vil si at asymmetrisk fisjon dominerer. I tilfellet med den mest sannsynlige fisjon av uranisotopen 236 U, er forholdet mellom massene til fragmentene 1,46. Det tunge fragmentet har et massetall på 139 (xenon), og det lette fragmentet har et massetall på 95 (strontium). Tatt i betraktning utslippet av to prompte nøytroner, har fisjonsreaksjonen under vurdering formen

Nobelprisen i kjemi
1944 – O. Gan.
For oppdagelsen av fisjonsreaksjonen til urankjerner av nøytroner.

Fisjonsfragmenter

Avhengighet av de gjennomsnittlige massene av lette og tunge grupper av fragmenter på massen til den spaltbare kjernen.

Oppdagelse av kjernefysisk fisjon. 1939

Jeg kom til Sverige, hvor Lise Meitner led av ensomhet, og jeg, som en hengiven nevø, bestemte meg for å besøke henne til jul. Hun bodde på det lille hotellet Kungälv ved Gøteborg. Jeg fant henne til frokost. Hun tenkte på brevet hun nettopp hadde mottatt fra Gan. Jeg var veldig skeptisk til innholdet i brevet, som rapporterte dannelsen av barium når uran ble bestrålt med nøytroner. Imidlertid ble hun tiltrukket av muligheten. Vi gikk i snøen, hun til fots, jeg på ski (hun sa at hun kunne klare seg på denne måten uten å falle bak meg, og hun beviste det). Ved slutten av vandringen kunne vi allerede formulere noen konklusjoner; kjernen delte seg ikke, og biter fløy ikke av fra den, men dette var en prosess som minnet mer om Bohrs dråpemodell av kjernen; som en dråpe kunne kjernen forlenges og dele seg. Jeg undersøkte deretter hvordan den elektriske ladningen til nukleonene reduserer overflatespenningen, som jeg fant å være null ved Z = 100 og sannsynligvis veldig lav for uran. Lise Meitner jobbet med å bestemme energien som frigjøres under hvert forfall på grunn av en massedefekt. Hun var veldig tydelig på massedefektkurven. Det viste seg at på grunn av elektrostatisk frastøtning ville fisjonselementene få en energi på ca. 200 MeV, og dette tilsvarte nøyaktig energien knyttet til massedefekten. Derfor kunne prosessen forløpe rent klassisk uten å involvere konseptet med å gå gjennom en potensiell barriere, noe som selvfølgelig ville være ubrukelig her.
Vi tilbrakte to eller tre dager sammen i julen. Så reiste jeg tilbake til København og hadde knapt tid til å informere Bohr om ideen vår akkurat i det øyeblikket han allerede gikk ombord på et skip med avgang til USA. Jeg husker hvordan han slo seg i pannen med en gang jeg begynte å snakke og utbrøt: «Å, så dummer vi var! Vi burde ha lagt merke til dette tidligere." Men han la ikke merke til det, og ingen la merke til det.
Lise Meitner og jeg skrev en artikkel. Samtidig holdt vi hele tiden kontakten på langdistansetelefon fra København til Stockholm.

O. Frisch, Erindringer. UFN. 1968. T. 96, hefte 4, s. 697.

Spontan kjernefysisk fisjon

I eksperimentene beskrevet nedenfor brukte vi metoden som først ble foreslått av Frisch for å registrere kjernefysiske fisjonsprosesser. Et ioniseringskammer med plater belagt med et lag av uranoksid er koblet til en lineær forsterker konfigurert på en slik måte at α-partikler som sendes ut fra uranet ikke oppdages av systemet; impulser fra fragmenter, mye større i størrelse enn impulser fra α-partikler, låser opp utgangstyratronen og betraktes som et mekanisk relé.
Et ioniseringskammer ble spesialdesignet i form av en flerlags flat kondensator med totalt areal 15 plater på 1000 cm Platene, plassert i en avstand på 3 mm fra hverandre, ble belagt med et lag uranoksid 10-20 mg/cm. 2 .
I de aller første eksperimentene med en forsterker konfigurert for å telle fragmenter, var det mulig å observere spontane (i fravær av en nøytronkilde) pulser på et relé og et oscilloskop. Antallet av disse pulsene var lite (6 på 1 time), og det er derfor forståelig at dette fenomenet ikke kunne observeres med kameraer av vanlig type...
Vi har en tendens til å tenke det effekten vi observerte skal tilskrives fragmenter som er et resultat av spontan fisjon av uran ...

Spontan fisjon skal tilskrives en av de ueksiterte U-isotopene med halveringstid oppnådd fra en evaluering av resultatene våre:

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

Isotopforfall 238 U

Spontan kjernefysisk fisjon

Halveringstider for spontant spaltbare isotoper Z = 92 - 100

Det første eksperimentelle systemet med et uran-grafittgitter ble bygget i 1941 under ledelse av E. Fermi. Det var en grafittkube med en kant 2,5 m lang, inneholdende ca. 7 tonn uranoksid, innelukket i jernbeholdere, som ble plassert i kuben i like avstand fra hverandre. En RaBe-nøytronkilde ble plassert i bunnen av uran-grafittgitteret. Reproduksjonskoeffisienten i et slikt system var ≈ 0,7. Uranoksid inneholdt fra 2 til 5 % urenheter. Ytterligere innsats var rettet mot å skaffe flere rene materialer og innen mai 1942 ble uranoksid oppnådd, hvor urenheten var mindre enn 1%. For å sikre en fisjonskjedereaksjon var det nødvendig å bruke store mengder grafitt og uran - i størrelsesorden flere tonn. Urenhetene måtte være mindre enn noen få deler per million. Reaktoren, satt sammen i slutten av 1942 av Fermi ved University of Chicago, hadde formen av en ufullstendig kule avskåret ovenfra. Den inneholdt 40 tonn uran og 385 tonn grafitt. Om kvelden 2. desember 1942, etter at nøytronabsorberstavene ble fjernet, ble det oppdaget at en kjernefysisk kjedereaksjon foregikk inne i reaktoren. Den målte koeffisienten var 1,0006. Opprinnelig drev reaktoren med et effektnivå på 0,5 W. Innen 12. desember ble effekten økt til 200 watt. Deretter ble reaktoren flyttet til et tryggere sted, og effekten ble økt til flere kW. Samtidig forbrukte reaktoren 0,002 g uran-235 per dag.

Den første atomreaktoren i USSR

Bygningen for den første atomforskningsreaktoren i USSR, F-1, var klar i juni 1946.
Etter at alle nødvendige forsøk er utført, et kontroll- og beskyttelsessystem for reaktoren er utviklet, reaktorens dimensjoner er etablert, alle nødvendige forsøk er utført med reaktormodeller, nøytrontettheten er bestemt på flere modeller, grafittblokker er oppnådd (den såkalte kjernefysiske renhet) og (etter nøytron-fysiske kontroller) uranblokker, i november 1946 begynte de byggingen av F-1-reaktoren.
Reaktorens totale radius var 3,8 m. Den krevde 400 tonn grafitt og 45 tonn uran. Reaktoren ble satt sammen i lag og klokken 15:00 den 25. desember 1946 ble det siste, 62. laget satt sammen. Etter å ha fjernet de såkalte nødstengene ble kontrollstangen hevet, tellingen av nøytrontetthet begynte, og klokken 18:00 den 25. desember 1946 ble den første reaktoren i USSR våknet og begynte å fungere. Det var en spennende seier for forskerne - skaperne av atomreaktoren og alt sovjetiske folk. Og halvannet år senere, 10. juni 1948, nådde industrireaktoren med vann i kanalene en kritisk tilstand og snart startet den industrielle produksjonen av en ny type kjernebrensel, plutonium.