ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы ЦЕПНАЯ РЕАКЦИЯ И ЕЕ РЕЗУЛЬТАТЫ из "Атомы сегодня и завтра " Поскольку из ядер изотопов ксенона самым устойчивым тяжелым является ядро ксенона-136, а из ядер изотопов стронция — ядро стронция-88, то очевидно, что образовавшиеся осколки имеют слишком много нейтронов, чтобы оставаться устойчивыми Появившийся избыток нейтронов отнюдь не случаен. Чем больше размеры ядра, тем сильнее возрастает влияние электрических сил отталкивания между протонами, и чтобы их преодолеть и сохранить устойчивость, крупные ядра должны иметь очень большое количество нейтронов (для ядерных же сил притяжения не существует разницы между нуклонами). Самые тяжелые ядра содержат на 50% больше нейтронов, чем протонов, и, следовательно, каждый осколок, образовавшийся при делении большого (тяжелого) ядра, будет иметь также примерно на 50% больше нейтронов, чем протонов. Однако для устойчивости этих, гораздо более легких, ядер такое соотношение нейтронов и протонов излишне . Каисдое подобное ядро имеет несколько слабо связанных нейтронов, находящихся вне заполненных оболочек, и поэтому оно, чтобы восстановить соответствующее условие стабильности, испускает лишние нейтроны, подобно тому, как при радиоактивном распаде излучаются лишние частицы. [c.49] Напомним, что изотопы одного и того же химического элемента имеют одинаковое число протонов и, таким образом, различаются лишь по количеству нейтронов (и, следовательно, массовому числу А). [c.49] Термин цепная реакция приобрел большую популярность с наступлением атомного века, однако задолго до этого понятие цепной реакции было знакомо химикам, Как известно, при образовании химических соединений из отдельных атомов происходит перегруппировка электронов внешних орбит. При сгорании угля, например, атомы углерода (основная составляющая угля) соединяются с атомами кислорода окружающего воздуха и, перераспределяя свои валентные электроны, образуют двуокись углерода. И хотя эта реакция является экзотермической (выделяет около 4,2 эВ энергии на каждую образующуюся молекулу двуокиси углерода), всем известно, что для сгорания угля обычно необходимо сообщить ему некоторое количество тепла, прежде чем он сможет сам поддерживать свое горение (вот почему нам необходимы газовая зажигалка, бумага или щепки для растолки угля). Все это очень похоже на процесс расщепления ядра, описанный в предыдущей главе урановое или какое-либо другое ядро должно поглотить сначала некоторую энергию, необходимую для того, чтобы был преодолен максимум на кривой потенциальной энергии (см. рис. 13). [c.50] На рис. 15 показано (весьма схематично), как развивается нейтронная цепная реакция в уране. Ради простоты мы приняли, что при расщеплении одного ядра урана образуется два нейтрона Из рисунка видно, что количество расщепляющихся ядер удваивается с каждой ступенью цепной реакции, и если никак не контролировать это увеличение, то реакция распространится с неимоверной быстротой и приведет к ядерному взрыву. Например, известно, что спустя 10- с после начала расщепления образовавшиеся осколки ядра излучают все свои мгновенные нейтроны Дальнейшее расщепление, вызванное этими нейтронами, происходит не позже чем через 10 с, то есть примерно каждые 10 с удваивается (рис. 16) количество нейтронов и расщепляющихся ядер (в предположении, что отсз тствуют потери нейтронов). Таким образом, спустя 7,5-10 с после расщепления одного ядра этот процесс распространяется на 102 —10 ядер, которые предположительно имеются в 1 кг (или более) урана. В грубом приближении именно все это и происходит при взрыве атомной бомбы. [c.51] Экспериментально установлено, что среднее количество нейтронов, приходящихся на расщепление одного ядра урана, составляет 2,5, Дробное БЬфажение получается потому, что расщепление урана может, как уже указывалось, происходить разными способами и соответственно с выделением различного количества нейтронов. [c.51] Мгновенные нейтроны составляют 99% всех нейтронов, образующихся при расщеплении. При ядерном расщеплении возникают еще и запаздывающие нейтроны, о которых будет сказано несколько далее. [c.51] Ядро с избыточным содержанием нейтронов достигает устойчивого состояния вследствие излучения лишних нейтронов или при превращении некоторых из них в протоны. Последний процесс и является причиной бета-распада, уже упоминавшегося ранее в связи с описанием естественной радиоактивности. Хотя бета-частицы (электроны) не могут существовать внутри ядра среди положительно заряженных протонов, нейтрон может излучить электрон и при этом превратиться в протон затем электрон немедленно покидает ядро в виде бета-частицы, а протон остается в ядре. Кроме того, наряду с электроном из нейтрона (а затем и из ядра) вылетает также и другая частица, называемая нейтрино . Поскольку она не имеет ни массы покоя, ни электрического заряда, ее очень трудно обнаружить при помощи обычных приборов, но существование нейтрино в природе полностью сейчас подтверждено благодаря его ядер-ным и магнитным взаимодействиям. [c.54] Это название дал ей известный итальянский физик Энрико Ферми (1901—1954), удостоенный Нобелевской премии в 1938 г. [c.54] С учетом, конечно, дефекта массы, обусловленного превращением нейтрона в протон. [c.54] Из этой схемы следует, что ядро изотопа ксенона с массовым числом 140 подвергается бета-распаду с периодом полураспада 16 с, превращаясь в ядро цезия с таким же массовым числом последнее, в свою очередь, также подвергается бета-распаду (с периодом полураспада 66 с), превращаясь последовательно в барий-140 (период полураспада 12,8 сут), лантан-140 (период полураспада 40 ч) и церий-140, ядро которого является устойчивым. На первый взгляд может показаться странным, что периоды полураспада этих ядер так резко отличаются. Дело в том, что хотя период полураспада свободного (не связанного в ядре) нейтрона длится около 10 мин, однако сложные взаимодействия с соседними нуклонами внутри ядра могут как ускорять, так и замедлять данный процесс. [c.55] Реже случается еще один вид бета-распада, при котором образуется позитрон (или антиэлектрон ). Об этом процессе будет кратко рассказано в седьмой главе. [c.55] Однако иногда случается, что новое ядро, получившееся в результате бета-распада, находится в достаточно возбужденном состоянии, чтобы излучить еще один нейтрон. Такая ситуация может возникнуть, например, когда превращение нейтрона в протон, которое сопровождает бета-распад, приводит к значительной перегруппировке нуклонов по различным оболочкам и к сопутствующему большому изменению энергии связи всего ядра. Нейтроны, излученные таким образом после бета-распада, называются запаздывающими, так как они могут излучаться через несколько секунд или даже минут после первоначального расщепления. Хотя, как уже указывалось ранее, запаздывающие нейтроны составляют менее одного процента от общего числа нейтронов, образующихся в процессе деления ядра, тем не менее при расчете ядерного реактора это явление необходимо обязательно учитывать. Представьте себе, мы решили им пренебречь и сконструировали ядерный реактор для критической массы, учитывая лишь мгновенные нейтроны. В таком реакторе запаздывающие нейтроны, накапливаясь, могли бы нарушить баланс, что вскоре привело бы к неуправляемой цепной реакции. [c.56] В исключительных случаях, когда ядро-осколок достаточно сильно деформировано, оно само подвергается вторичному расщеплению, которое также сопровождается излучением мгновенных нейтронов. [c.56] Излучение альфа-частицы не изменяет количества избыточных нейтронов, но, уменьшая общее число нейтронов и протонов (каждого на два), ведет к увеличению отношения нейтронов к протонам. Например, гипотетическое ядро, содержащее 30 нейтронов и 20 протонов, имело бы отношение нейтронов к протокам, равное 1,5 (если бы такое ядро существовало, это был бы изотоп кальция с массовым числом 50). Излучение альфа-частицы изменило бы это отношение до 1,55. [c.57] Для плутония-239 период полураспада составляет 24 360 лет для урана-235 и урана-238 (главного изотопа природного урана) период полураспада намного больше. [c.57] При соответствующих условиях протон или альфа-частица могут в принципе непосредственно отколоться от ядра урана в момент его расщепления. Однако такие случаи очень редки, и образующиеся таким образом протоны и альфа-частицы не могут унести сколько-нибудь заметное количество энергии. [c.58] Другим очень редким типом ядерной реакции является спонтанное деление ядер урана и плутония. Изредка эти ядра могут самопроизвольно расщепляться, подобно тому, как они самопроизвольно излучают альфа-частицы при радиоактивном распаде, то есть расщепляться без какого-либо явного внещнего воздействия, как, например, при поглощении нейтрона. Хотя этот процесс является редким и не совсем до конца понятным, его учет тем не менее также необходим при конструировании ядерного реактора, поскольку этот физический процесс является дополнительным источником нейтронов. Так, в одном грамме природного урана спонтанное деление происходит один раз в 100 с, и в результате каждого такого деления образуются два или три нейтрона. Следовательно, в большом ядерном реакторе, содержащем от 10 до 10 кг урана, каждую секунду образуются миллионы нейтронов дополнительно к тем, которые возникают в результате цепной реакции. [c.58] Заканчивая эту главу, рассмотрим табл. 4, из которой видно, как энергия, выделяемая в результате деления урана-235, распределяется между осколками его расщепления и сопутствующей радиацией. [c.58] Вернуться к основной статье