Расщепление ядра. Прадедушка атомной бомбы Как расщепить атом в домашних условиях

Расщепление ядер атомов различных элементов используется в настоящее время достаточно широко. На реакции расщепления работают все ядерные электростанции, на этой реакции основан принцип действия всего ядерного оружия. В случае управляемой или цепной реакции, атом, разделившись на части, больше не может соединиться назад и вернуться в свое исходное состояние. Но, используя принципы и законы квантовой механики ученым удалось расщепить атом на две половинки и соединить их снова, не нарушив целостности самого атома.

Ученые из Боннского университета использовали принцип квантовой неопределенности, который позволяет объектам существовать сразу в нескольких состояниях. В эксперименте, с помощью некоторых физических уловок, ученые заставили единственный атом существовать сразу в двух местах, расстояние между которыми составляло чуть больше одной сотой миллиметра, что в атомном масштабе является просто огромным расстоянием.

Такие квантовые эффекты могут проявляться только при чрезвычайно низких температурах. Атом цезия с помощью света лазера был охлажден до температуры в одну десятую одной миллионной доли градуса выше абсолютного нуля. Охлажденный атом затем удерживался в оптической ловушке луча света другого лазера.

Известно, что ядро атома может вращаться в одном из двух направлений, в зависимости от направления вращения свет лазера толкает ядро вправо или влево. "Но у атома, в определенном квантовом состоянии может быть "раздвоение личности", одна его половина вращается в одну сторону, другая - в обратную. Но, при этом, атом все еще является целым объектом" - рассказывает ученый-физик Андреас Штеффен. Таким образом, ядро атома, части которого вращаются в противоположных направлениях, может быть расколото лучом лазера на две части и эти части атома могут быть разнесены на значительное расстояние, что и удалось реализовать ученым в ходе своего эксперимента.

Ученые утверждают, что используя подобный метод, можно создавать так называемые "квантовые мосты", являющиеся проводниками квантовой информации. Атом вещества разделяется на половинки, которые разводятся в стороны, пока не войдут в соприкосновение со смежными атомами. Образуется нечто вроде полотна дороги, пролет, соединяющий два столба моста, по которому может быть передана информация. Это возможно благодаря тому, что разделенный таким образом атом продолжает оставаться единым целым на квантовом уровне из-за того, что части атома запутаны на квантовом уровне.

Ученые Боннского университета собираются использовать такую технологию для моделирования и создания сложных квантовых систем. "Атом для нас является чем-то вроде хорошо смазанной шестеренки" - рассказывает доктор Андреа Альберти (Dr Andrea Alberti), руководитель группы ученых. - "Используя множество таких шестеренок можно создавать квантовое счетно-решающее устройство с характеристиками, намного превосходящими характеристики самых совершенных компьютеров. Надо только уметь правильно расположить и соединить эти шестеренки".

Деление ядра - это расщепление тяжелого атома на два фрагмента примерно равной массы, сопровождаемое выделением большого количества энергии.

Открытие ядерного деления начало новую эру - «атомный век». Потенциал возможного его использования и соотношение риска к пользе от его применения не только породили множество социологических, политических, экономических и научных достижений, но также и серьезные проблемы. Даже с чисто научной точки зрения процесс ядерного деления создал большое число головоломок и осложнений, и полное теоретическое его объяснение является делом будущего.

Делиться - выгодно

Энергии связи (на нуклон) у разных ядер различаются. Более тяжелые обладают меньшей энергией связи, чем расположенные в середине периодической таблицы.

Это означает, что тяжелым ядрам, у которых атомное число больше 100, выгодно делиться на два меньших фрагмента, тем самым высвобождая энергию, которая превращается в кинетическую энергию осколков. Этот процесс называется расщеплением

В соответствии с кривой стабильности, которая показывает зависимость числа протонов от числа нейтронов для стабильных нуклидов, более тяжелые ядра предпочитают большее число нейтронов (по сравнению с количеством протонов), чем более легкие. Это говорит о том, что наряду с процессом расщепления будут испускаться некоторые «запасные» нейтроны. Кроме того, они будут также принимать на себя часть выделяющейся энергии. Изучение деления ядра атома урана показало, что при этом выделяется 3-4 нейтрона: 238 U → 145 La + 90 Br + 3n.

Атомное число (и атомная масса) осколка не равна половине атомной массы родителя. Разница между массами атомов, образовавшихся в результате расщепления, обычно составляет около 50. Правда, причина этого еще не совсем понятна.

Энергии связи 238 U, 145 La и 90 Br равны 1803, 1198 и 763 МэВ соответственно. Это означает, что в результате данной реакции высвобождается энергия деления ядра урана, равная 1198 + 763-1803 = 158 МэВ.

Самопроизвольное деление

Процессы спонтанного расщепления известны в природе, но они очень редки. Среднее время жизни указанного процесса составляет около 10 17 лет, а, например, среднее время жизни альфа-распада того же радионуклида составляет около 10 11 лет.

Причина этого заключается в том, что для того, чтобы разделиться на две части, ядро должно сначала подвергнуться деформации (растянуться) в эллипсоидальную форму, а затем, перед окончательным расщеплением на два фрагмента, образовать «горлышко» посредине.

Потенциальный барьер

В деформированном состоянии на ядро действуют две силы. Одна из них - возросшая поверхностная энергия (поверхностное натяжение капли жидкости объясняет ее сферическую форму), а другая - кулоновское отталкивание между осколками деления. Вместе они производят потенциальный барьер.

Как и в случае альфа-распада, чтобы произошло спонтанное деление ядра атома урана, фрагменты должны преодолеть этот барьер с помощью квантового туннелирования. Величина барьера составляет около 6 МэВ, как и в случае с альфа-распадом, но вероятность туннелирования α-частицы значительно больше, чем гораздо более тяжелого продукта расщепления атома.

Вынужденное расщепление

Гораздо более вероятным является индуцированное деление ядра урана. В этом случае материнское ядро ​​облучается нейтронами. Если родитель его поглощает, то они связываются, высвобождая энергию связи в виде колебательной энергии, которая может превысить 6 МэВ, необходимых для преодоления потенциального барьера.

Там, где энергии дополнительного нейтрона недостаточно для преодоления потенциального барьера, падающий нейтрон должен обладать минимальной кинетической энергией для того, чтобы иметь возможность индуцировать расщепление атома. В случае 238 U энергии связи дополнительных нейтронов не хватает около 1 МэВ. Это означает, что деление ядра урана индуцируется только нейтроном с кинетической энергией больше 1 МэВ. С другой стороны, изотоп 235 U имеет один непарный нейтрон. Когда ядро ​​поглощает дополнительный, он образует с ним пару, и в результате этого спаривания появляется дополнительная энергия связи. Этого достаточно для освобождения количества энергии, необходимого для того, чтобы ядро преодолело потенциальный барьер и деление изотопа происходило при столкновении с любым нейтроном.

Бета-распад

Несмотря на то что при реакции деления испускаются три или четыре нейтрона, осколки по-прежнему содержат больше нейтронов, чем их стабильные изобары. Это означает, что фрагменты расщепления, как правило, неустойчивы по отношению к бета-распаду.

Например, когда происходит деление ядра урана 238 U, стабильным изобаром с А = 145 является неодим 145 Nd, что означает, что фрагмент лантан 145 La распадается в три этапа, каждый раз излучая электрон и антинейтрино, пока не будет образован стабильный нуклид. Стабильным изобаром с A = 90 является цирконий 90 Zr, поэтому осколок расщепления бром 90 Br распадается в пять этапов цепи β-распада.

Эти цепи β-распада выделяют дополнительную энергию, которая почти вся уносится электронами и антинейтрино.

Ядерные реакции: деление ядер урана

Прямое излучение нейтрона из нуклида со слишком большим их количеством для обеспечения стабильности ядра маловероятно. Здесь дело заключается в том, что нет кулоновского отталкивания, и поэтому поверхностная энергия имеет тенденцию к удержанию нейтрона в связи с родителем. Тем не менее это иногда происходит. Например, фрагмент деления 90 Br в первой стадии бета-распада производит криптон-90, который может быть находиться в возбужденном состоянии с достаточной энергией, чтобы преодолеть поверхностную энергию. В этом случае излучение нейтронов может происходить непосредственно с образованием криптона-89. по-прежнему неустойчив по отношению к β-распаду, пока не перейдет в стабильный иттрий-89, так что криптон-89 распадается в три этапа.

Деление ядер урана: цепная реакция

Нейтроны, испускаемые в реакции расщепления, могут быть поглощены другим ядром-родителем, которое затем само подвергается индуцированному делению. В случае урана-238 три нейтрона, которые возникают, выходят с энергией менее 1 МэВ (энергия, выделяющаяся при делении ядра урана - 158 МэВ - в основном переходит в кинетическую энергию осколков расщепления), поэтому они не могут вызвать дальнейшее деление этого нуклида. Тем не менее при значительной концентрации редкого изотопа 235 U эти свободные нейтроны могут быть захвачены ядрами 235 U, что действительно может вызвать расщепление, так как в этом случае отсутствует энергетический порог, ниже которого деление не индуцируется.

Таков принцип цепной реакции.

Типы ядерных реакций

Пусть k - число нейтронов, произведенное в образце делящегося материала на стадии n этой цепи, поделенное на число нейтронов, образованных на стадии n - 1. Это число будет зависеть от того, сколько нейтронов, полученных на стадии n - 1, поглощаются ядром, которое может подвергнуться вынужденному делению.

Если k < 1, то цепная реакция просто выдохнется и процесс остановится очень быстро. Именно это и происходит в природной в которой концентрация 235 U настолько мала, что вероятность поглощения одного из нейтронов этим изотопом крайне ничтожна.

Если k > 1, то цепная реакция будет расти до тех пор, пока весь делящийся материал не будет использован Это достигается путем обогащения природной руды до получения достаточно большой концентрации урана-235. Для сферического образца величина k увеличивается с ростом вероятности поглощения нейтронов, которая зависит от радиуса сферы. Поэтому масса U должна превышать некоторую чтобы деление ядер урана (цепная реакция) могло происходить.

Если k = 1, то имеет место управляемая реакция. Это используется в Процесс контролируется распределением среди урана стержней из кадмия или бора, которые поглощают большую часть нейтронов (эти элементы обладают способностью захватывать нейтроны). Деление ядра урана контролируется автоматически путем перемещения стержней таким образом, чтобы величина k оставалась равной единице.

Выберите подходящий изотоп. Некоторые элементы или изотопы претерпевают радиоактивный распад, при этом различные изотопы могут вести себя по-разному. Наиболее распространенный изотоп урана имеет атомный вес 238 и состоит из 92 протонов и 146 нейтронов, но его ядра обычно поглощают нейтроны без расщепления на ядра более легких элементов. Изотоп урана, ядро которого содержит на три нейтрона меньше, 235 U, расщепляется намного легче, чем 238 U, его называют делящимся изотопом.

• При расщеплении (делении) урана высвобождается три нейтрона, которые сталкиваются с другими атомами урана, в результате чего возникает цепная реакция.
• Некоторые изотопы расщепляются настолько легко и быстро, что невозможно поддерживать постоянную ядерную реакцию. Это явление называется спонтанным, или самопроизвольным, распадом. Например, такому распаду подвержен изотоп плутония 240 Pu, в отличие от 239 Pu с меньшей скоростью деления.

Чтобы реакция продолжилась после распада первого атома, следует собрать достаточно изотопа. Для этого необходимо иметь определенное минимальное количество делящегося изотопа, который будет поддерживать реакцию. Это количество называют критической массой. Чтобы достичь критической массы и повысить вероятность распада, требуется достаточное количество исходного материала.

В1939 г. Альберт Эйнштейн обратился к президенту Рузвельту с предложением приложить все усилия для того, чтобы раньше нацистов овла­деть энергией атомного распа­да. К тому времени эмигриро­вавший из фашистской Италии Энрико Ферми уже работал над этой проблемой в Колумбий­ском университете.

(В камере ускорителя Европейской лабора­тории физики элементарных частиц (CERN ), крупнейшего в Европе центре такого рода. Па­радоксально, но для исследования мельчайших частиц необходимы гигантские сооружения.)

Введение

В 1854 г. немец Генрих Гейслер . (1814-79) изобрел вакуумную стеклянную трубку с электродами, названную трубкой Гейслера, и ртутный насос, позволявший полу­чать высокий вакуум. Подсоединив к электродам трубки высоковольтную индукционную катушку, он получал на стекле напротив отрицательного элек­трода зеленое свечение. В 1876 г. не­мецкий физик Евгений Гольдштейн (1850-1931) предположил, что это све­чение вызвано лучами, испускаемыми катодом, и назвал эти лучи катодными.

(Новозеландский физик Эрнест Резерфорд (1871-1937) в Кавендишской лаборатории Кембриджского университета, которую он возглавил в 1919 году.)

Электроны

Английский ученый Уильям Крукс (1832-1919) усовершенствовал трубку Гейслера и показал возможность от­клонения катодных лучей магнитным полем. В 1897 г. другой английский ис­следователь, Джозеф Томсон, предпо­ложил, что лучи представляют собой отрицательно заряженные частицы, и определил их массу, которая оказалась примерно в 2000 раз меньше массы атома водорода. Он назвал эти частицы электронами, взяв название, пред­ложенное несколькими годами ранее ирландским физиком Джорджем Стоуни (1826-1911), который теоретичес­ки рассчитал величину их заряда. Так стала очевидной делимость ато­ма. Томсон предложил модель, в кото­рой электроны были вкраплены в атом, как изюминки в кексе. А вскоре были обнаружены и другие входящие в со­став атома частицы. С 1895 г. в Кавен­дишской лаборатории приступил к ра­боте Эрнест Резерфорд (1871-1937), который вместе с Томсоном занялся исследованием радиоактивности урана и обнаружил два вида частиц, испускае­мых атомами этого элемента. Частицы с зарядом и массой электрона он назвал бета-частицами, а другие, положитель­но заряженные, с массой, равной массе 4 атомов водорода, - альфа-частицами. Кроме того, атомы урана были источни­ком высокочастотного электромагнит­ного излучения - гамма-лучей.

(Отто Ган и Лизе Майтнер. В 1945 году Ган был интернирован союзниками в Англию и только там узнал о присуждении ему Нобелевской премии по химии за 1944 г. «за открытие расщепления тяжелых ядер».)

Протоны

В 1886 г. Гольдштейн обнаружил еще одно излучение, распространяющее­ся в направлении, противоположном катодным лучам, и названное им катодными лучами. Позже было дока­зано, что они состоят из ионов атомов. Резерфорд предложил назвать положительный ион водорода про тоном (от греческого proton - пер­вый), т. к. считал ядро водорода составной частью ядер атомов всех остальных элементов. Таким образом, в начале XX в. было установлено существование трех суб­атомных частиц: электрона, протона и альфа-частицы. В 1907 г. Резерфорд стал профессо­ром Манчестерского университета. Здесь, пытаясь выяснить строение ато­ма, он провел свои знаменитые экспе­рименты по рассеянию альфа-частиц. Исследуя прохождение этих частиц через тонкую металлическую фольгу, он пришел к выводу, что в центре ато­ма расположено небольшое плотное ядро, способное отражать альфа-час­тицы. Помощником Резерфорда в то время был молодой датчанин физик Нильс Бор (1885-1962), который в 1913 г., в соответствии с недавно созданной квантовой теорией, пред­ложил модель строения атома, извест­ную как модель Резерфорда-Бора . В ней электроны вращались вокруг яд­ра подобно планетам вокруг Солнца.

( Энрико Ферми (1901-54) в 1938 г. получил Нобелевскую премию за работы по облучению вещества нейтронами. В 1942 г. впервые осуществил самоподдерживающуюся цепную реакцию распада атомных ядер.)

Модели атомов

В этой первой модели ядро состояло из положительно заряженных прото­нов и некоторого числа электронов, частично нейтрализующих их заряд; кроме того, вокруг ядра двигались до­полнительные электроны, суммарный заряд которых был равен положитель­ному заряду ядра. Альфа-частицы , как и ядра атомов гелия, должны были со­стоять из 4 протонов и 2 электронов. Прошло более 10 лет, прежде чем эта модель подверглась пересмотру. В 1930 г. немец Вальтер Боте (1891-1957) объявил об открытии нового ви­да радиоактивного излучения, возни­кающего при облучении бериллия аль­фа-частицами. Англичанин Джеймс Чедвик (1891-1974) повторил эти экс­перименты и пришел к выводу, что дан­ное излучение состоит из частиц, рав­ных по массе протонам, но не имею­щих электрического заряда. Они были названы нейтронами. Затем немец Вернер Гейзенберг (1901-76) предложил модель атома, ядро которого состояло только из протонов и нейтронов. Группа исследователей с одним из первых ускорителей субатомных частиц - циклотроном (1932). Этот прибор предназначен для ускоре­ния частиц и последующей бомбардировки ими специальных мишеней.

(Группа исследователей с одним из первых ускорителей субатомных частиц - циклотроном (1932). Этот прибор предназначен для ускоре­ния частиц и последующей бомбардировки ими специальных мишеней.)

Расщепление атома

Физики всего мира сразу же увидели в нейтронах идеальный инструмент для воздействия на атомы - эти тяжелые, не имеющие заряда частицы легко проникали в атомные ядра. В 1934-36 Италии Энрико Ферми (1901-54) их помощи получил 37 радиоактивных изотопов различных элементов. Поглощая нейтрон, атомное ядро становилось неустойчивым, и излучало энергию в виде гамма-лучей. Ферми облучал нейтронами и уран, надеясь пре вратить его в новый элемент - «уран В этом же направлении работ в Берлине немец Отто Ган (1879-1 S и австрийка Лизе Майтнер (1878 - 1968). В 1938 г. Майтнер, спасаясь от нацистов, уехала в Стокгольм, а продолжил работу вместе с Фридрихом Штрассманом (1902-80). Вскоре Ган и Майтнер, продолжая эксперимент и, сверяя результаты по переписке, обнаружили образование в облученном нейтронами уране радиоактивного бария. Майтнер предположила, что я атом урана (атомный номер 92) рас щепляется на два ядра: бария (атомный номер элемента с номером 43 позже назвали технецием ). Так была открыта возможность расщепления атомного ядра. Было установлено также, что при разрушении ядра атома урана выдаются 2-3 нейтрона, каждый из которых, в свою очередь, способен инициировать распад атомов урана, вызвать цепную реакцию с выделением огромного количества энергии...