ЦЕПНАЯ РЕАКЦИЯ ДЕЛЕНИЯ ЯДЕР УРАНА

Ядерные реакции. Взаимодействие частицы с атомным ядром, приводящее к превращению этого ядра в новое ядро с выделением вторичных частиц или гамма-квантов, называется ядерной реакцией.

Первая ядерная реакция была осуществлена Резерфордом в 1919 г. Он обнаружил, что при столкновениях альфа-частиц с ядрами атомов азота образуются быстро движущиеся протоны. Это означало, что ядро изотопа азота в результате столкновения с альфа-частицей превращалось в ядро изотопа кислорода :

.

Ядерные реакции могут протекать с выделением или поглощением энергии. Используя закон взаимосвязи массы и энергии, энергетический выход ядерной реакции можно определить, найдя разность масс частиц, вступающих в реакцию, и продуктов реакции:

.

Цепная реакция деления ядер урана. Среди различных ядерных реакций особо важное значение в жизни современного человеческого общества имеют цепные реакции деления некоторых тяжелых ядер.

Реакция деления ядер урана при бомбардировке их нейтронами была открыта в 1939 г. В результате экспериментальных и теоретических исследований, выполненных Э. Ферми, И. Жолио-Кюри, О. Ганом, Ф. Штрассманом, Л. Мейтнер, О. Фришем, Ф. Жолио-Кюри, было установлено, что при попадании в ядро урана одного нейтрона ядро делится на две-три части.

При делении одного ядра урана освобождается около 200 МэВ энергии. На кинетическую энергию движения ядер-осколков приходится примерно 165 МэВ, остальную энергию уносят гамма-кванты.

Зная энергию, выделяющуюся при делении одного ядра урана, можно подсчитать, что выход энергии при делении всех ядер 1 кг урана составляет 80 тысяч миллиардов джоулей. Это в несколько миллионов раз больше, чем выделяется при сжигании 1 кг каменного угля или нефти. Поэтому были предприняты поиски путей освобождения ядерной энергии в значительных количествах для использования ее в практических целях.

Впервые предположение о возможности осуществления цепных ядерных реакций высказал Ф. Жолио-Кюри в 1934 г. Он же в 1939 г. вместе с X. Xалбаном и Л. Коварски экспериментально обнаружил, что при делении ядра урана, кроме осколков-ядер, вылетают также 2-3 свободных нейтрона. При благоприятных условиях эти нейтроны могут попасть в другие ядра урана и вызвать их деление. При делении трех ядер урана должно освободиться 6-9 новых нейтронов, они попадут в новые ядра урана и т.д. Схема развития цепной реакции деления ядер урана представлена на рисунке 316.

Рис. 316

Практическое осуществление цепных реакций - не такая простая задача, как это выглядит на схеме. Нейтроны, освобождающиеся при делении ядер урана, способны вызывать деление лишь ядер изотопа урана с массовым числом 235, для разрушения же ядер изотопа урана с массовым числом 238 их энергия оказывается недостаточной. В природном уране на долю урана с массовым числом 238 приходится 99,8%, а на долю урана с массовым числом 235 - всего лишь 0,7%. Поэтому первый возможный путь осуществления цепной реакции деления связан с разделением изотопов урана и получением в чистом виде в достаточно больших количествах изотопа . Необходимое условие для осуществления цепной реакции - наличие достаточно большого количества урана, так как в образце малых размеров большинство нейтронов пролетает сквозь образец, не попав ни в одно ядро. Минимальная масса урана, в котором может возникнуть цепная реакция, называется критической массой. Критическая масса для урана-235 - несколько десятков килограммов.

Простейшим способом осуществления цепной реакции в уране-235 является следующий: изготавливают два куска металлического урана, каждый с массой, несколько меньшей критической. Цепная реакция в каждом из них в отдельности идти не может. При быстром соединении этих кусков развивается цепная реакция и выделяется колоссальная энергия. Температура урана достигает миллионов градусов, сам уран и любые другие вещества, находящиеся поблизости, превращаются в пар. Раскаленный газообразный шар быстро расширяется, сжигая и разрушая все на своем пути. Так происходит ядерный взрыв.

Использовать энергию ядерного взрыва в мирных целях очень трудно, так как выделение энергии при этом не поддается контролю. Управляемые цепные реакции деления ядер урана осуществляются в ядерных реакторах.

Ядерный реактор. Первыми ядерными реакторами были реакторы на медленных нейтронах (рис. 317). Большинство нейтронов, освобождающихся при делении ядер урана, обладают энергией 1-2 МэВ. Скорости их при этом равны примерно 107 м/с, поэтому их называют быстрыми нейтронами. При таких энергиях нейтроны взаимодействуют с ядрами урана и урана примерно с одинаковой эффективностью. А так как ядер урана в природном уране в 140 раз больше, чем ядер урана , большая часть этих нейтронов поглощается ядрами урана и цепная реакция не развивается. Нейтроны, движущиеся со скоростями, близкими к скорости теплового движения (около 2·10³ м/с), называются медленными или тепловыми. Медленные нейтроны хорошо взаимодействуют с ядрами урана-235 и поглощаются ими в 500 раз эффективнее, чем быстрые. Поэтому при облучении природного урана медленными нейтронами большая часть их поглощается не в ядрах урана-238, а в ядрах урана-235 и вызывает их деление. Следовательно, для развития цепной реакции в природном уране скорости нейтронов должны быть уменьшены до тепловых.

Рис. 317

Замедление нейтронов происходит в результате столкновения с атомными ядрами среды, в которой они движутся. Для замедления нейтронов в реакторе используется специальное вещество, называемое замедлителем. Ядра атомов вещества-замедлителя должны обладать сравнительно небольшой массой, так как при столкновении с легким ядром нейтрон теряет энергию большую, чем при столкновении с тяжелым. Наиболее распространенными замедлителями являются обычная вода и графит.

Пространство, в котором протекает цепная реакция, называется активной зоной реактора. Для уменьшения утечки нейтронов активную зону реактора окружают отражателем нейтронов, отбрасывающим значительную часть вылетающих нейтронов внутрь активной зоны. В качестве отражателя используют обычно то же вещество, которое служит замедлителем.

Энергия, выделяющаяся при работе реактора, выводится при помощи теплоносителя. В качестве теплоносителя могут использоваться лишь жидкости и газы, не обладающие способностью поглощать нейтроны. Широко применяется в качестве теплоносителя обычная вода, иногда применяются углекислый газ и даже жидкий металлический натрий.

Управление реактором осуществляется с помощью специальных управляющих (или регулирующих) стержней, вводимых в активную зону реактора. Управляющие стержни изготавливаются из соединений бора или кадмия, поглощающих тепловые нейтроны с очень большой эффективностью. Перед началом работы реактора их полностью вводят в его активную зону. Поглощая значительную часть нейтронов, они делают невозможным развитие цепной реакции. Для запуска реактора управляющие стержни постепенно выводят из активной зоны до тех пор, пока выделение энергии не достигнет заданного уровня. При увеличении мощности свыше установленного уровня включаются автоматы, погружающие управляющие стержни в глубь активной зоны.

Термоядерная реакция. Ядерная энергия освобождается не только в ядерных реакциях деления тяжелых ядер , но и в реакциях соединения легких атомных ядер.

Для соединения одноименно заряженных протонов необходимо преодолеть кулоновские силы отталкивания, что возможно при достаточно больших скоростях сталкивающихся частиц. Необходимые условия для синтеза ядер гелия из протонов имеются в недрах звезд. На Земле термоядерная реакция синтеза осуществлена при экспериментальных термоядерных взрывах.

Синтез гелия из легкого изотопа водорода происходит при температуре около 108 К, а для синтеза гелия из тяжелых изотопов водорода - дейтерия и трития - по схеме

требуется нагревание примерно до 5·10⁷ К.

При синтезе 1 г гелия из дейтерия и трития выделяется энергия 4,2·10¹¹ Дж. Такая энергия выделяется при сжигании 10 тонн дизельного топлива.

Запасы водорода на Земле практически неисчерпаемы, поэтому использование энергии термоядерного синтеза в мирных целях является одной из важнейших задач современной науки и техники.

Управляемую термоядерную реакцию синтеза гелия из тяжелых изотопов водорода путем нагревания предполагается осуществить путем пропускания электрического тока через плазму. Для удержания нагретой плазмы от соприкосновения со стенками камеры применяется магнитное поле. На экспериментальной установке "Токамак-10" советским физикам удалось нагреть плазму до температуры 13 млн. градусов. До более высоких температур водород может быть нагрет с помощью лазерного излучения. Для этого световые пучки от нескольких лазеров должны быть сфокусированы на стеклянном шарике, внутри которого заключена смесь тяжелых изотопов дейтерия и трития. В экспериментах на лазерных установках уже получена плазма с температурой в несколько десятков миллионов градусов.

ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ

Открытие явления радиоактивности и результаты опытов Резерфорда убедительно показали, что атомы не являются неделимыми простейшими частицами. Как было установлено, они состоят из электронов, протонов и нейтронов. На первых порах частицы, из которых построены атомы, считались не способными ни к каким изменениям и превращениям. Поэтому их назвали элементарными частицами. Знакомство со свойствами этих трех частиц, наиболее распространенных в изученной части Вселенной, показало, что термин "элементарная частица" довольно условен. Одна из этих частиц - нейтрон - в свободном состоянии существует в среднем лишь около 15 мин, а затем самопроизвольно распадается на протон, электрон и нейтрино. Однако считать протон, электрон и нейтрино "настоящими" элементарными частицами, а нейтрон "ненастоящей" элементарной частицей нельзя, так как каждая из этих частиц при взаимодействии с другими частицами и атомными ядрами может превращаться в другие частицы.

Таблица элементарных частиц

Наименование частиц	Символ	Масса в электронных массах	Электрический заряд	Время жизни, с
Частица	Античастица
Фотон					Стабилен
Л е п т о н ы	Нейтрино электронное					Стабильно
Нейтрино мюонное					Стабильно
Тау-нейтрино					Стабильно
Электрон				-1	Стабилен
Мюон				-1	2,2·10-6
Тау-лептон				-1	1,46·10-12
М е з о н ы	Пи-мезоны (пионы)			264,1		1,83·10-16
		273,1		2,6·10-8
Ка-мезоны (каоны)			966,4		1,2·10-8
		974,1		-8,9·10-11 -5,2·10-8
Эта-нуль-мезон					2,4·10-19
Б а р и о н ы	Н у к л о н ы	Протон			1836,1		Стабилен (?)
Нейтрон			1838,6		103
Г и п е р о н ы	Гиперон-лямбда			2183,1		2,63·10-10
Гиперон-сигма			2327,6		8·10-11
		2333,6		5,8·10-20
		2343,1	-1	1,48·10-10
Гиперон-кси			2572,8		2,9·10-10
		2585,6	-1	1,64·10-10
Омега-минус-гиперон				-1	8,2·10-11

Полное число параметров, определяющих свойства частиц, довольно велико. Важнейшими из них являются масса частицы, ее электрический заряд, спин и время жизни. Из всех названных характеристик специального пояснения требует лишь спин. Спином называется величина, дающая количественную характеристику вращательного движения частицы. Спин частицы (механический момент) у различных частиц может иметь различные значения, но все частицы одного типа имеют абсолютно одинаковые спины.

Любой из электронов обладает механическим моментом, равным 0,50272·10^-34 Дж·с. Эта величина в точности равна ( ; = 6,626·10^-31 Дж·с - постоянная Планка). Величина принята за единицу спина.

После знакомства с основными характеристиками элементарных частиц можно рассмотреть таблицу элементарных частиц, время жизни которых превышает 10^-20 с. Частицы в ней расположены в порядке возрастания их масс. Частицы с массами, не превышающими 207 электронных масс (кроме одной из них), составляют группу легких частиц - лептонов, частицы с массами больше 207 электронных масс, но меньше массы протона входят в группу мезонов (средних частиц), протон и более тяжелые частицы составляют группу барионов. Особое место в таблице занимает фотон, не входящий ни в одну из названных групп.

Разделение элементарных частиц на группы определяется не только различием в массах, но и рядом других существенных свойств. Лептоны и барионы имеют спин, равный , спины мезонов равны нулю, а фотон обладает спином, равным 1.

Особенно следует отметить существование четырех типов взаимодействия между элементарными частицами - гравитационного, электромагнитного, сильного и слабого. Наиболее хорошо изученными являются гравитационные силы, действующие между любыми частицами, и электромагнитные силы, действующие между заряженными частицами.

Примером сильного взаимодействия могут служить ядерные силы, связывающие в атомных ядрах протоны и нейтроны. Слабое взаимодействие обнаруживается в процессах, связанных с испусканием или поглощением нейтрино.

Античастицы. Английский физик Поль Дирак в 1928 г. создал теорию, из которой следовало, что в природе должна существовать частица с массой, равной массе электрона, но заряженная положительно. Такая частица - позитрон - была обнаружена экспериментально в 1932 г.

В 1933 г. Фредерик и Ирен Жолио-Кюри обнаружили, что гамма-квант с энергией, большей энергии покоя электрона и позитрона МэВ, при прохождении вблизи атомного ядра может превратиться в.дару электрон - позитрон. Электрон и позитрон, способные к совместному "рождению" в паре и к аннигиляции при встрече, назвали античастицами. Рождение электронно-позитронных пар и аннигиляция электронов и позитронов при встрече наглядно показывают, что две формы материи - вещество и поле - не являются резко разграниченными, возможны превращения материи из одной формы в другую.

После открытия первой античастицы - позитрона - естественно возник вопрос о существовании античастиц и у других частиц.

К настоящему времени установлено, что античастица имеется у каждой элементарной частицы. Масса любой античастицы в точности равна массе соответствующей частицы, а электрический заряд (для заряженных частиц) равен по абсолютному значению заряду частицы и противоположен ему по знаку. Частица и античастица у таких незаряженных частиц, как фотон и пи-нуль-мезон, по физическим свойствам совершенно неразличимы и поэтому считаются одной и той же частицей.

Кварки. Кроме частиц, представленных в таблице, открыто большое число частиц с очень малым временем жизни - около 10^-22 с. Эти частицы названы резонансами. С открытием этих частиц неопределенность понятия "элементарная частица" стала особенно заметной.

В 1963 г. М. Гелл-Манном и Дж. Цвейгом была предложена гипотеза о существовании в природе нескольких частиц, названных кварками. Согласно этой гипотезе все мезоны, барионы и резонансы построены из кварков и антикварков, соединенных между собой в различных комбинациях. Каждый барион состоит из трех кварков, антибарион - из трех антикварков. Мезоны состоят из пар кварков с антикварками.

Волновые свойства частиц. Изучение свойств света показало, что он обладает сложной природой, сочетающей в себе волновые и корпускулярные свойства.

Полная энергия фотона (кванта света) может быть выражена через постоянную Планка ( = 6,625·10^-34 Дж·с) и частоту электромагнитных колебаний :

.

С другой стороны, по закону взаимосвязи массы и энергии полная энергия фотона может быть выражена через его массу и скорость света :

.

Из этих двух соотношений получаем, что , а , т.е. длина световой волны , равна постоянной Планка , деленной на импульс фотона .

Французский физик Луи де Бройль в 1924 г. высказал предположение, что одновременное сочетание волновых и корпускулярных свойств присуще не только свету, но и вообще любому материальному объекту. Длина волны любого тела массой , движущегося со скоростью , определяется соотношением, аналогичным полученному для фотонов света:

Для тел значительной массы длина волны получается настолько малой, что никакого способа обнаружения его волновых свойств современная физика предложить не может. Элементарные частицы и даже атомы при небольших скоростях движения проявляют свои волновые свойства вполне определенно. На рисунке 318,а представлена фотография, полученная при пропускании пучка электронов у края экрана. Светлые полосы отмечают места попадания электронов на фотопластинку. Полученная картина есть результат дифракции электронов у края экрана. Длина волны, определенная по наблюдаемой дифракционной картине, в точности совпадает со значением, рассчитанным по соотношению де Бройля. Для сравнения на рисунке 318,б показана картина, наблюдаемая при прохождении пучка света у края экрана. Таким образом, обычное разделение материи на две формы - поле и вещество - оказывается довольно условным. Частицы вещества обнаруживают признаки непрерывного волнового процесса, и, наоборот, электромагнитные волны обнаруживают свойства потока частиц-фотонов.

Рис. 318

Формулы

Фотон

Фотоэлектрический эффект

Постулат Бора и правило квантования

Энергия связи атомного ядра

Закон радиоактивного распада

Бета-распад нейтрона

Реакция термоядерного синтеза

Обозначения

	- масса
- скорость света в вакууме
- энергия фотона
- постоянная Планка
- частота
- работа выхода электрона
- максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов
	- частота красной границы фотоэффекта
	- энергия связи атомного ядра
- число протонов в ядре
- число нейтронов в ядре
- масса покоя свободного протона
- масса покоя свободного нейтрона
- масса покоя атомного ядра
	- число нераспавшихся радиоактивных ядер в момент времени
- число нераспавшихся радиоактивных ядер в момент времени
- период полураспада
	- нейтрон
- протон
- электрон
- антинейтрино

ФИЗИЧЕСКИЕ ПОСТОЯННЫЕ

Постоянная	Обозначение	Значение
Гравитационная постоянная		6,6720·10-11 Н·м2·кг-2
Скорость света в вакууме		2,99792458·108 м·с-1
Магнитная постоянная		4π·10-7 = 1,25663706144·10-6 Гн·м-1
Электрическая постоянная		8,85418782·10-12 Ф·м-1
Постоянная Планка		6,626176·10-34 Дж·с
	1,0545887·10-34 Дж·с
Масса покоя электрона		9,109534·10-31 кг
5,4858026·10-4 а.е.м.
Масса покоя протона		1,6726485·10-27 кг
1,007276470 а.е.м.
Масса покоя нейтрона		1,6749543·10-27 кг
1,008665012 а.е.м.
Заряд электрона (абс. значение)		1,6021892·10-19 Кл
Атомная единица массы		1,6605655(86)·10-27 кг
Постоянная Авогадро		6,022045·1023 моль-1
Постоянная Фарадея		96484,56 Кл·моль-1
Молярная газовая постоянная		8,31441 Дж·моль-1·К-1
Постоянная Больцмана		1,380662·10-23 Дж·К-1
Нормальный (молярный) объем идеального газа при нормальных условиях ( = 0 °С, = 101,325 кПа)		2,241·10-2 м3/моль
Нормальное атмосферное давление		101325 Па
Ускорение свободного падения (нормальное)		9,80665 м/с2
Энергия покоя электрона		0,5110034 МэВ
Энергия покоя протона		938,2796 МэВ
Энергия покоя нейрона		939,5731 МэВ
Масса атома водорода1Н		1,07825036 а.е.м.
Масса атома дейтерия2Н		2,014101795 а.е.м.
Масса атома гелия-44Не		4,002603267 а.е.м.
Радиус первой боровской орбиты		5,2917706·10-11 м