Пред.
След.
Макеты страниц
Распознанный текст, спецсимволы и формулы могут содержать ошибки, поэтому с корректным вариантом рекомендуем ознакомиться на отсканированных изображениях учебника выше Также, советуем воспользоваться поиском по сайту, мы уверены, что вы сможете найти больше информации по нужной Вам тематике ДЛЯ СТУДЕНТОВ И ШКОЛЬНИКОВ ЕСТЬ
ZADANIA.TO
§ 95. Деление ядер и развитие капельной теории строения ядерВ продолжение 20 лет (с 1919 г. до начала 1939 г.) во всех опытах по расщеплению атомного ядра наблюдались только такие ядерные реакции, в которых ядро, захватывая нейтрон, протон, дейтрон или Открытие реакции деления тяжелых ядер было сделано при облучении урана нейтронами. Аналогичный процесс деления на два более легких ядра был обнаружен при облучении нейтронами тория. Образующиеся при делении ядра радиоактивны, так как у них отношение числа нейтронов к числу протонов всегда значительно превышает характерное для стабильных ядер. Так, в составном ядре Кроме того, сам процесс деления ядра на две части сопровождается излучением нескольких (двух-трех) нейтронов, что также уменьшает их избыток в осколках деления. При определенных условиях нейтроны, излученные распадающимися ядрами урана, вызывают деление других ядер урана, и может случиться так, что число нейтронов и распадающихся под их действием ядер будет возрастать в геометрической прогрессии — развивается цепная реакция деления ядер урана (§ 118). Распад ядра урана на два легких ядра сопровождается выделением весьма большой в ядерных масштабах энергии — порядка 200 Мэв на каждое распавшееся ядро. При цепном процессе деления ядер урана в миллионные доли секунды излучается огромное количество энергии, эквивалентное мгновенному сгоранию Деление тяжелых ядер наблюдается и в естественных условиях без облучения их нейтронами или другими частицами (это было обнаружено тоже в 1939 г. советскими физиками Флеровым и Петржаком). Однако вероятность такого спонтанного деления ядер крайне мала. Приведем следующий пример. Альфа-превращение испытывает один атом урана в 1 сек из 1017 атомов урана. Спонтанное деление же ядер урана (как и тория) происходит еще в миллион раз реже, т. е. в секунду самопроизвольно делится одно ядро урана из 10" ядер. Вероятность спонтанного деления более легких, чем уран, ядер еще меньше. Почти любое ядро тяжелого элемента может испытывать деление под действием нейтронов или других быстрых частиц. Но минимальные энергии, которые должны иметь бомбардирующие частицы, чтобы вызвать деление, в каждом конкретном случае различны. Так, деление ядер изотопа урана Ядра некоторых других тяжелых элементов, например висмута, свинца, таллия, ртути, золота, платины, испытывают деление при проникновении в эти ядра нуклонов (нейтронов и протонов) с большой кинетической энергией — порядка Теоретически явление деления ядер было объяснено в 1939 г. Я. И. Френкелем. В своей книге «Принципы теории атомных ядер» (изд. Академии наук СССР, 1950, стр. 126—131) Френкель изложил ранее развитые им взгляды следующим образом: «Причина неустойчивости элементов с атомным весом, большим, чем у урана, заключается в силах электрического отталкивания между протонами, входящими в состав ядра. В случае не слишком тяжелых ядер, содержащих не очень большое число протонов, эти силы недостаточны для преодоления ядерных сил, которые связывают протоны друг с другом и с нейтронами. Однако с увеличением электрического заряда ядер соотношение между ядерными силами притяжения и электрическими силами отталкивания постепенно изменяется в пользу последних. Это изменение объясняется тем, что связь каждого нуклона в сложном ядре, поскольку она обусловливается ядерными силами, мало зависит от размеров ядра, т. е. от числа нуклонов, его образующих, в то время как электрическая сила, стремящаяся вытолкнуть отдельные протоны из ядра, возрастаете увеличением числа протонов приблизительно пропорционально этому числу. Отсюда на первый взгляд следует, что связь протонов в ядре должна быть меньше, чем связь нейтронов. В действительности, однако, энергии связи тех и других одинаковы благодаря тому, что нейтроны имеют в среднем большую кинетическую энергию в связи со своим численным преобладанием. Это преобладание определяется именно тем условием, чтобы увеличение кинетической энергии нейтронов компенсировало дополнительную электрическую энергию протонов» (§ 115). «При достаточно большом числе протонов и, соответственно, еще большем числе нейтронов присоединение новых частиц как того, так и другого сорта к ядру должно, в конце концов, стать невыгодным, т. е. сопровождаться не уменьшением, а, наоборот, увеличением общей энергии ядра... Но еще задолго до достижения капелькой ядерной жидкости тех размеров, при которых она неспособна к дальнейшему росту (ввиду обращения в нуль энергии конденсации нуклонов на ее поверхности), электрические силы приобретают величину, достаточную для того, чтобы разорвать ее на две капли приблизительно одинаковых размеров. Чтобы лучше уяснить себе это обстоятельство, рассмотрим сначала поведение нейтральных капелек какой-нибудь жидкости (например, ртути). При сближении двух подобных капелек они, как известно, стремятся слиться друг с другом. Таким образом, в этом случае наблюдается тенденция, противоположная указанной выше, т. е. тенденция капель к слиянию, а не к делению. Причиной этой тенденции являются капиллярные силы, связанные с наличием свободной поверхности и существованием пропорциональности между нею и дополнительной поверхностной энергией... Поскольку ядерные силы в известной степени аналогичны силам молекулярного сцепления, капельки ядерной жидкости должны обладать капиллярными свойствами, так же как и капельки обыкновенной жидкости (чем, кстати, и обусловливается шарообразная форма атомных ядер). При этом, конечно, поверхностное натяжение а ядерной жидкости должно быть во много раз больше, чем у обыкновенных жидкостей». По порядку величины поверхностное натяжение капелек нейтронно-протонной жидкости должно быть равно отношению энергии связи одного нуклона (составляющей для наиболее тяжелых ядер примерно
Под влиянием этой значительной силы мелкие ядра должны были бы сливаться в крупные, но этому препятствует кулоновское отталкивание одноименно заряженных ядер. У тяжелых элементов действие большого заряда ядра создает противоположную тенденцию — расчленение этого ядра на два более легких. Заряд ядра, создаваемый протонами, можно считать распределенным приблизительно равномерно по объему ядра. Поэтому кулоновская потенциальная энергия ядра приближенно равна
Когда ядро делится на две примерно равные части, то радиус дочерних ядер а, вследствие неизменности объема оказывается равным
Поэтому суммарная энергия дочерних ядер равна:
Следовательно, при делении тяжелого ядра на две равные части поверхностная энергия ядер возрастает на
Если отношение кулоновской энергии ядра к поверхностной обозначить через у» то, учитывая, что приведенную формулу можно переписать так:
Это выражение для энергетического эффекта деления ядра показывает, что деление ядра ведет к уменьшению энергии ядра только в том случае, когда отношение кулоновской энергии к поверхностной заметно превышает Отношение кулоновской энергии ядер к их поверхностной энергии определяется, очевидно, формулой
Но
Для легких и средних элементов Следует отметить, что кинетическая энергия осколков при делении тяжелого ядра приблизительно совпадает с потенциальной энергией отталкивания, которую дочерние ядра, обладающие зарядами Чтобы деление происходило с заметной вероятностью, ядру нужно сообщить некоторую энергию, не меньшую определенной для каждого элемента величины. Действительно, при делении капли обычной жидкости на две приблизительно одинаковые части капля должна приобрести вначале удлиненную форму, после чего происходит разрыв перетяжки, связывающей обе половины капли (рис. 360). При аналогичной деформации капли нейтронно-протонной жидкости ее энергия сначала возрастает от которое в итоге приводит к освобождению подсчитанной выше энергии Теоретическое вычисление энергии активации деления связано со значительными трудностями. Исследуя эту задачу, Я. И. Френкель показал, что чем больше масса ядра (и соответственно больше отношение электрической энергии к поверхностной, т. е. величина В аспекте изложенных соображений о делении ядер выброс
Рис. 360. Последовательные стадии деления капли жидкости на две капли.
Рис. 361. Энергетический барьер деления ядер:
Рис. 362. Зависимость энергетического барьера, препятствующего делению ядра, от атомного номера. В наиболее тяжелых ядрах (в ядрах радия, тория, урана) энергия связи одного нуклона с ядром, как уже упоминалось при обосновании формулы (16), составляет примерно же гелия энергия связи нуклона близка к
|
1 |
Оглавление
|