Что представляет собой расщепление атома. Расщепление атома. Частицы - переносчики взаимодействий

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.

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...

26 ноября 1894 г . В Санкт-Петербурге состоялось бракосочетание российского царя Николая II и немецкой принцессы Алисы Гессен-Дармштадтской. После венчания супруга императора приняла православную веру и получила имя Александра Федоровна.

27 ноября 1967 г . В московском кинотеатре «Мир» прошла премьера первого советского триллера «Вий». Главные роли сыграли Леонид Куравлев и Наталия Варлей. Съемки проходили в Ивано-Франковской области и поселке Седнев на Черниговщине.

28 ноября 1942 г. Советский Союз заключил соглашение с Францией о совместной борьбе с фашистской Германией в небе. Первая французская авиационная эскадрилья «Нормандия-Неман» состояла из 14 летчиков и 17 технических работников.

29 ноября 1812 г. Разгромлена армия Наполеона при переправе через реку Березина. Наполеон потерял около 35 тысяч человек. Потери русских войск, согласно надписи на 25-й стене галереи воинской славы Храма Христа Спасителя, составили 4 тысячи солдат. Почти 10 тысяч французов было взято в плен русским генералом Петром Витгенштейном.

1 декабря 1877 г. В селе Марковка Винницкой области родился Николай Леонтович, украинский композитор, хоровой дирижер, автор песен «Дударик», «Казака несут», «Мала мати одну дочку», «Щедрик» (песня известна на Западе как рождественская колядка колокольчиков («Carol of the Bells»).

1 декабря 1991 г . Состоялся всеукраинский референдум по вопросу о государственной независимости Украины. Первым президентом страны избран Леонид Кравчук.

2 декабря 1942 г . Физик Энрико Ферми с группой американских ученых из университета Чикаго осуществил контролируемую ядерную реакцию, впервые расщепив атом.

1 декабря 1992 года в международной базе данных зарегистрирован украинский домен UA

Среди бывших советских республик Украина стала первой страной, которая 1 декабря 1992 года получила национальный домен в интернете. Россия прошла регистрацию позже: домен RU появился 7 апреля 1994 года. В том же году свои домены получили Республика Беларусь - BY, Армения - AM и Казахстан - KZ. А первым национальным доменом в истории интернета стал американский US, он был зарегистрирован в марте 1985 года. Тогда же появились домены Великобритании - UK и Израиля - IL. Создание доменной системы позволяло по названию сайта сразу понимать, где он расположен.

В январе 1993 года на конференции украинских интернет-специалистов в поселке Славское Львовской области было предложено 27 доменов, созданных по географическому принципу, выбранному по коду телефонной нумерации. Украинские города и предприятия получили возможность создавать свои сайты в интернете, например, kiev.ua, crimea.ua, dnepropetrovsk.ua. Все обязанности по их администрированию по-прежнему выполнялись физическими лицами на общественных началах. В некоторых публичных доменах такая практика сохранилась до сих пор. Сейчас у каждого национального или географического домена есть свой администратор - компания или физическое лицо, определяющее правила регистрации. Со временем интернет породил свою версию языка. Доменное имя, которое заканчивается аббревиатурой COM, NET, EDU, означает сокращение общего понятия. К примеру, COM - коммерческий, NET - сетевой, EDU - образовательный. В нашей стране самым популярным является домен COM. Весной 2001 года с целью наведения порядка наконец-то было создано юридическое лицо ООО «Хостмастер», куда вошли администраторы UA и прочих украинских доменов. Физические лица, бывшие владельцы украинского домена UA, официально передали «Хостмастеру» часть полномочий.

Создать собственный сайт и получить домен сейчас может каждый. Первый этап, на котором регистрировать домены в зоне UA могли лишь владельцы торговых марок, уже закончился. С 2010 года доступна свободная регистрация домена на срок десять лет для любого, цена использования домена на один год составляет 90 гривен. Кстати, первым предсказал интернет писатель, философ и общественный деятель XIX века Владимир Одоевский. В романе «4338-й год», изданном в 1837 году, Одоевский писал: «Между знакомыми домами устроены магнетические телеграфы, посредством которых живущие на далеком расстоянии общаются друг с другом ». Сейчас, открывая сайт в интернете, не выходя из дома, каждый из нас может купить авиа- и железнодорожный билет, совершить покупки в супермаркете электроники, опубликовать свои произведения без посредников и даже найти спутника жизни на сайте знакомств. Двадцатилетние с трудом могут представить себе эпоху, когда за книгами шли в библиотеку, письма писали от руки, а новости узнавали только из телевизионных программ или печатных изданий.