Il-fissjoni tan-nukleu ta 'l-uranju. Reazzjoni tal-katina. Deskrizzjoni tal-proċess

Id-diviżjoni tan-nukleu hija l-qsim ta 'atomu tqil f'żewġ frammenti ta' piż bejn wieħed u ieħor ugwali, akkumpanjat mir-rilaxx ta 'ammont kbir ta' enerġija.

L-iskoperta tad-diviżjoni nukleari bdiet era ġdida - "l-età atomika". Il-potenzjal tal-użu possibbli tiegħu u l-proporzjon tar-riskju li jibbenefika mill-applikazzjoni tiegħu mhux biss wasslu għal ħafna kisbiet soċjoloġiċi, politiċi, ekonomiċi u xjentifiċi, iżda wkoll problemi serji. Anke minn perspettiva purament xjentifika, il-proċess tal-fissjoni nukleari ħoloq numru kbir ta 'puzzles u komplikazzjonijiet, u l-ispjegazzjoni teoretika sħiħa tagħha hija kwistjoni tal-ġejjieni.

Qsim - profittabbli

L-enerġiji li jorbtu (għal kull nucleon) għal nuklei differenti jvarjaw. Dawk itqal għandhom enerġija li torbot aktar baxxa minn dawk li jinsabu fin-nofs tat-tabella perjodika.

Dan ifisser li nuklei tqal, li għalihom in- numru atomiku huwa akbar minn 100, huma vvantaġġament maqsum f'żewġ frammenti iżgħar, u b'hekk jirrilaxxa l-enerġija li tinbidel fl-enerġija kinetika tal-frammenti. Dan il-proċess jissejjaħ il-qsim tan- nukleu atomiku.

Skont il-kurva tal-istabbiltà, li turi d-dipendenza tan-numru ta 'protoni fuq in-numru ta' newtroni għal nuklidi stabbli, nuklei itqal jippreferu numru akbar ta 'newtroni (meta mqabbla man-numru ta' protoni) minn dawk eħfef. Dan jissuġġerixxi li flimkien mal-proċess ta 'qsim, se joħorġu xi newroni "żejda". Barra minn hekk, huma se jieħdu wkoll parti mill-enerġija allokata. L-istudju tal-fissjoni tan-nukleu tal-atomju tal-uranju wera li n-newtroni 3-4 huma rilaxxati f'dan il-ħin: ²³⁸ U → ¹⁴⁵ La + ⁹⁰ Br + 3n.

In-numru atomiku (u l-massa atomika) tal-framment mhux ugwali għal nofs il -massa atomika tal- ġenitur. Id-differenza bejn il-mases ta 'l-atomi ffurmati bħala riżultat tal-qasma ġeneralment tkun ta' madwar 50. Madankollu, ir-raġuni għal dan għadha ma ġietx mifhuma għal kollox.

L-enerġiji li jorbtu ta ' ²³⁸ U, ¹⁴⁵ La u ⁹⁰ Br huma ugwali għal 1803, 1198 u 763 MeV, rispettivament. Dan ifisser li bħala riżultat ta 'din ir-reazzjoni, l-enerġija tal-fissjoni tan-nukleu ta' l-uranju tiġi rilaxxata, ugwali għal 1198 + 763-1803 = 158 MeV.

Diviżjoni spontanja

Il-proċessi ta 'qsim spontanju huma magħrufa fin-natura, iżda huma rari ħafna. Il-ħajja medja ta 'dan il-proċess hija ta' madwar ^10-17-il sena, u per eżempju, il-ħajja medja tat-taħsir alfa tal-istess radjunuklidu hija ta 'madwar 10 ^11-il sena.

Ir-raġuni għal dan hija li sabiex tinqasam f'żewġ partijiet, il-qalba trid l-ewwel tiġi mdeffsa (imġebbda) f'forma ellissojdali, u mbagħad, qabel il-qasma finali f'żewġ biċċiet, tifforma "għonq" fin-nofs.

Ostaklu potenzjali

Fl-istat deformat, żewġ forzi jaġixxu fuq il-qalba. Waħda minnhom hija l-enerġija tal-wiċċ miżjuda (it-tensjoni tal-wiċċ ta 'qatra tal-likwidu tispjega l-għamla sferika tagħha), u l-oħra hija r-repulsjoni ta' Coulomb bejn frammenti tal-fissjoni. Flimkien jipproduċu barriera potenzjali.

Bħal fil-każ ta 'tħassir alfa, tiġri fissjoni spontanja tan-nukleu ta' l-atomu ta 'l-uranju, il-frammenti għandhom jegħlbu dan l-ostaklu permezz ta' tnixxija kwantistika. Il-valur tal-barriera huwa ta 'madwar 6 MeV, bħal fil-każ ta' taħsir alfa, iżda l-probabbiltà li l-partiċelli ⌦ tal-mina tkun mgħammra hija ħafna akbar mill-prodott ħafna itqal tal-qsim tal-atom.

Splitting furzat

Iktar probabbli huwa l-fissjoni indotta tan-nukleu ta 'l-uranju. F'dan il-każ, in-nukleu omm ikun irradjat bin-newtroni. Jekk il-ġenitur jassorbih, jorbtu, jirrilaxxa l-enerġija li torbot f'forma ta 'enerġija vibratorja, li tista' taqbeż is-6 MeV, meħtieġa biex tingħeleb il-barriera potenzjali.

Fejn l-enerġija tan-newtron addizzjonali mhix biżżejjed biex tegħleb il-barriera potenzjali, in-newtroni ta 'l-inċident għandu jkollha enerġija kinetika minima sabiex tkun tista' tinduċi l-qsim ta 'l-atomu. Fil-każ ta ' ²³⁸ U, l-enerġija li torbot tan-newtroni addizzjonali hija qasira ta' madwar 1 MeV. Dan ifisser li l-fissjoni tan-nukleu ta 'l-uranju hija indotta biss minn newtron b'enerġija kinetika ikbar minn 1 MeV. Min-naħa l-oħra, l-isotopu ²³⁵ U għandu newron mhux imħarrek. Meta nukleu jassorbi waħda addizzjonali, jifforma par magħha, u bħala riżultat ta 'dan it-tqabbil tidher enerġija addizzjonali li torbot. Dan huwa biżżejjed biex ineħħi l-ammont ta 'enerġija meħtieġa għall-qalba biex tegħleb il-barriera potenzjali u d-diviżjoni isotopika sseħħ meta taħdem ma' xi newtroni.

It-tħassir tal-Beta

Minkejja l-fatt li tliet jew erba 'newtroni joħorġu matul ir-reazzjoni tal-fissjoni, il-frammenti għad għandhom aktar newtroni mill-isobars stabbli tagħhom. Dan ifisser li l-frammenti tal-qsim huma, bħala regola, instabbli fir-rigward tal-beta decay.

Pereżempju, meta l-fissjoni tan-nukleu ta 'l-uranju hija ²³⁸ U, l-isobar stabbli b'A = 145 huwa neodimju ¹⁴⁵ Nd, li jfisser li l-frammenti tal-lantanum ¹⁴⁵ La jiddekomponu fi tliet stadji, kull darba li jarmu elettron u antineutrinos sakemm jiġi ffurmat nuklidu stabbli. Isobar stabbli b'A = 90 huwa ż-żirkonju ta ^'90 Zr, għalhekk, il-framment tal-bromu ⁹⁰ Br jiddekomponi f'ħames stadji tal-katina ta' taħsir β.

Dawn il-ktajjen tat-tħassir β inixxu l-enerġija addizzjonali, li hija ttrasportata kważi għal kollox permezz ta 'elettroni u antineutrinos.

Reazzjonijiet nukleari: fissjoni ta 'nuklei ta' l-uranju

Ir-radjazzjoni diretta ta 'newtron mix-nuklida bi kwantità kbira tal-kwantità biex tkun żgurata l-istabbiltà tan-nukleu mhux probabbli. Hawnhekk il-ħaġa hi li m'hemm l-ebda ripellazzjoni ta 'Coulomb, u għalhekk l-enerġija tal-wiċċ għandha tendenza li żżomm in-newtron f'konnessjoni mal-ġenitur. Madankollu, dan kultant jiġri. Per eżempju, il-framment tad-diviżjoni ta ^'90 Br fl-ewwel stadju ta' taħsir beta jipproduċi krypton-90, li jista 'jkun fi stat eċċitati b'enerġija biżżejjed biex tegħleb l-enerġija tal-wiċċ. F'dan il-każ, ir-radjazzjoni tan-newtroni tista 'sseħħ direttament bil-formazzjoni ta' krypton-89. Dan l-isobar għadu mhux stabbli fir-rigward ta 'taħsir β sakemm isir stabbli uttrium-89, sabiex il-kripton-89 jiddewweb fi tliet stadji.

Fissjoni tan-nuklei ta 'l-uranju: reazzjoni katina

Newtroni li joħorġu fir-reazzjoni tal-qsim jistgħu jiġu assorbiti minn nukleu ġenitur ieħor, li fih innifsu jgħaddi minn fissjoni indotta. Fil-każ ta 'l-uranju-238, it-tliet newtroni li joħorġu joħorġu b'enerġija ta' inqas minn 1 MeV (l-enerġija rilaxxata meta ssir il-fissjoni tan-nukleu ta 'l-uranju-158 MeV-bażikament tmur fuq l-enerġija kinetika tal-frammenti diviżorji), sabiex ma jkunux jistgħu jikkawżaw aktar fissjoni ta' dan in-nuklidu. Madankollu, f'konċentrazzjoni sinifikanti tal-iżotopu rari ²³⁵ U, dawn in-newtroni ħielsa jistgħu jinqabdu minn nukleu ta ' ²³⁵ U, li fil-fatt jistgħu jikkawżaw qsim, peress li f'dan il-każ m'hemm l-ebda limitu tal-enerġija li taħtu l-fissjoni mhix ikkaġunata.

Dan huwa l-prinċipju tar-reazzjoni katina.

Tipi ta 'reazzjonijiet nukleari

Ħalli k in-numru ta 'newtroni prodotti f'kampjun ta' materjal fissili fl-istadju n ta 'din il-katina diviż bin-numru ta' newtroni ffurmati fl-istadju n-1. Dan in-numru jiddependi fuq kemm in-newtroni miksuba fl-istadju n-1 huma assorbiti min-nukleu, Jista 'jgħaddi minn diviżjoni sfurzata.

• Jekk k <1, allura r-reazzjoni katina se sempliċement imutu u l-proċess se jieqaf malajr ħafna. Dan huwa eżattament dak li jiġri f'minurju ta 'l - uranju naturali , fejn il-konċentrazzjoni ta' ²³⁵ U hija tant żgħira li l-probabbiltà ta 'assorbiment ta' wieħed mid-newtroni minn dan isotopju hija estremament insinifikanti.

• Jekk k> 1, allura r-reazzjoni katina se tiżdied sakemm jintuża l-materjal fissili (bomba atomika). Dan jinkiseb billi tissaħħaħ il-mineral naturali għal konċentrazzjoni għolja biżżejjed ta 'uranju-235. Għal kampjun sferiku, il-valur ta 'k jiżdied b'żieda probabbli ta' assorbiment tan-newtroni, li jiddependi fuq ir-raġġ tal-isfera. Għalhekk, il-massa U għandha teċċedi xi massa kritika, sabiex tkun tista 'sseħħ il-fissjoni tan-nuklei ta' l-uranju (reazzjoni katina).

• Jekk k = 1, imbagħad issir reazzjoni kkontrollata. Dan jintuża f'reatturi nukleari. Il-proċess huwa kkontrollat mid-distribuzzjoni bejn vireg tal-uranju ta 'kadmju jew boron, li jassorbu ħafna mid-newtroni (dawn l-elementi għandhom il-kapaċità li jaqbdu newtroni). Il-fissjoni tal-qalba tal-uranju hija kkontrollata awtomatikament billi timxi l-vireg b'tali mod li l-valur ta 'k jibqa' ugwali għall-unità.