Какво е разделянето на атома. Суперсила. Търсенето на единна теория за природата. Капка, черупка, кристал

Ядреното делене е разделянето на тежък атом на два фрагмента с приблизително еднаква маса, придружено от освобождаване на голямо количество енергия.

Откриването на ядреното делене постави началото на нова ера - "атомната ера". Потенциалът на възможната му употреба и съотношението риск-полза от използването й не само генерират много социологически, политически, икономически и научни постижения, но и сериозни проблеми. Дори от чисто научна гледна точка процесът на ядрено делене е създал голям брой загадки и усложнения, а пълното му теоретично обяснение е въпрос на бъдещето.

Споделянето е печелившо

Енергиите на свързване (на нуклон) са различни за различните ядра. По-тежките имат по-ниска енергия на свързване от тези, разположени в средата на периодичната таблица.

Това означава, че за тежки ядра с атомен номер по-голям от 100 е изгодно да се разделят на два по-малки фрагмента, като по този начин се освобождава енергия, която се превръща в кинетична енергия на фрагментите. Този процес се нарича разделяне

Според кривата на стабилност, която показва зависимостта на броя на протоните от броя на неутроните за стабилни нуклиди, по-тежките ядра предпочитат повече неутрони (в сравнение с броя на протоните), отколкото по-леките. Това предполага, че заедно с процеса на разделяне ще бъдат излъчени някои "резервни" неутрони. Освен това те ще поемат и част от освободената енергия. Изследването на ядреното делене на атома на урана показа, че се отделят 3-4 неутрона: 238 U → 145 La + 90 Br + 3n.

Атомният номер (и атомната маса) на фрагмента не е равен на половината от атомната маса на родителя. Разликата между масите на атомите, образувани в резултат на разделянето, обикновено е около 50. Вярно, причината за това все още не е напълно ясна.

Енергиите на свързване на 238 U, 145 La и 90 Br са съответно 1803, 1198 и 763 MeV. Това означава, че в резултат на тази реакция се освобождава енергията на делене на урановото ядро, равна на 1198 + 763-1803 = 158 MeV.

Спонтанно разделяне

Процесите на спонтанно разцепване са известни в природата, но те са много редки. Средната продължителност на този процес е около 10 17 години, а например средната продължителност на живота на алфа-разпад на същия радионуклид е около 10 11 години.

Причината за това е, че за да се раздели на две части, ядрото трябва първо да се деформира (разтегне) в елипсоидална форма, а след това, преди окончателно да се раздели на два фрагмента, да образува „врат“ в средата.

Потенциална бариера

В деформирано състояние върху сърцевината действат две сили. Едната е увеличената повърхностна енергия (повърхностното напрежение на течна капка обяснява нейната сферична форма), а другата е кулоновото отблъскване между фрагментите на делене. Заедно те създават потенциална бариера.

Както в случая на алфа разпадане, за да се случи спонтанното делене на ядрото на атома на урана, фрагментите трябва да преодолеят тази бариера с помощта на квантово тунелиране. Бариерата е около 6 MeV, както в случая на алфа разпад, но вероятността за тунелиране на алфа частица е много по-голяма от тази на много по-тежък атомен продукт на делене.

принудително разделяне

Много по-вероятно е индуцираното делене на урановото ядро. В този случай родителското ядро се облъчва с неутрони. Ако родителят го абсорбира, те се свързват, освобождавайки свързваща енергия под формата на вибрационна енергия, която може да надвиши 6 MeV, необходими за преодоляване на потенциалната бариера.

Когато енергията на допълнителния неутрон е недостатъчна за преодоляване на потенциалната бариера, падащият неутрон трябва да има минимална кинетична енергия, за да може да предизвика разделянето на атома. В случая на 238 U, енергията на свързване на допълнителни неутрони е около 1 MeV кратка. Това означава, че деленето на ядрото на урана се предизвиква само от неутрон с кинетична енергия, по-голяма от 1 MeV. От друга страна, изотопът 235 U има един несдвоен неутрон. Когато ядрото абсорбира допълнително, то образува двойка с него и в резултат на това сдвояване се появява допълнителна енергия на свързване. Това е достатъчно, за да се освободи количеството енергия, необходимо на ядрото да преодолее потенциалната бариера и деленето на изотопа настъпва при сблъсък с всеки неутрон.

бета разпад

Въпреки че реакцията на делене излъчва три или четири неутрона, фрагментите все още съдържат повече неутрони, отколкото техните стабилни изобари. Това означава, че фрагментите на разцепване обикновено са нестабилни срещу бета разпадане.

Например, когато уран 238 U се разпадне, стабилната изобара с A = 145 е неодим 145 Nd, което означава, че фрагментът от лантан 145 La се разпада на три стъпки, като всеки път излъчва електрон и антинеутрино, докато се образува стабилен нуклид . Стабилната изобара с A = 90 е цирконий 90 Zr; следователно фрагментът на разделяне на бром 90 Br се разлага в пет етапа на веригата на β-разпад.

Тези вериги на β-разпад освобождават допълнителна енергия, която почти цялата се отнася от електрони и антинеутрино.

Ядрени реакции: делене на уранови ядра

Директно излъчване на неутрон от нуклид с твърде много от тях, за да се гарантира стабилността на ядрото, е малко вероятно. Въпросът тук е, че няма кулоново отблъскване и така повърхностната енергия има тенденция да поддържа неутрона във връзка с родителя. Това обаче понякога се случва. Например, 90 Br фрагмент от делене в първия етап на бета разпадане произвежда криптон-90, който може да бъде във възбудено състояние с достатъчно енергия, за да преодолее повърхностната енергия. В този случай излъчването на неутрони може да се случи директно с образуването на криптон-89. все още нестабилен по отношение на β разпадане, докато не се превърне в стабилен итрий-89, така че криптон-89 се разпада в три стъпки.

Деление на уранови ядра: верижна реакция

Неутроните, излъчени при реакцията на делене, могат да бъдат погълнати от друго родителско ядро, което след това претърпява индуцирано делене. В случая на уран-238, трите неутрона, които се произвеждат, излизат с енергия под 1 MeV (енергията, освободена по време на деленето на ядрото на урана - 158 MeV - се преобразува главно в кинетичната енергия на фрагментите на делене), така че те не могат да причинят по-нататъшно делене на този нуклид. Независимо от това, при значителна концентрация на редкия изотоп 235 U, тези свободни неутрони могат да бъдат уловени от ядра 235 U, което наистина може да причини делене, тъй като в този случай няма енергиен праг, под който да не се индуцира делене.

Това е принципът на верижната реакция.

Видове ядрени реакции

Нека k е броят на неутроните, произведени в проба от делящ се материал в етап n от тази верига, разделен на броя на неутроните, произведени в етап n - 1. Това число ще зависи от това колко неутрони, произведени в етап n - 1, се абсорбират. от ядрото, което може да бъде принудено да се раздели.

Ако к< 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.

Ако k > 1, тогава верижната реакция ще расте, докато се използва целият делящ се материал.Това се постига чрез обогатяване на естествена руда до получаване на достатъчно голяма концентрация на уран-235. За сферична проба стойността на k нараства с увеличаване на вероятността за поглъщане на неутрон, което зависи от радиуса на сферата. Следователно масата U трябва да надвишава определено количество, за да се получи делене на уранови ядра (верижна реакция).

Ако k = 1, тогава протича контролирана реакция. Това се използва в процес, контролиран чрез разпределяне на кадмиеви или борни пръчки сред урана, които абсорбират повечето от неутроните (тези елементи имат способността да улавят неутрони). Деленето на урановото ядро се контролира автоматично чрез преместване на пръчките по такъв начин, че стойността на k остава равна на единица.

Често се казва, че има два вида науки - големи и малки науки. Разделянето на атома е голяма наука. Разполага с гигантски експериментални съоръжения, колосални бюджети и получава лъвския пай от Нобеловите награди.

Защо физиците трябваше да разделят атома? Простият отговор - да разберем как работи атомът - съдържа само частица от истината, но има и по-обща причина. Да се говори буквално за разделянето на атома не е съвсем правилно. В действителност говорим за сблъсък на високоенергийни частици. В сблъсъка на субатомни частици, движещи се с високи скорости, се ражда нов свят на взаимодействия и полета. Фрагменти материя, носещи огромна енергия, разпръснати след сблъсъци, крият тайните на природата, които от „сътворението на света” са останали заровени в недрата на атома.

Съоръженията, в които се извършват сблъсъци на частици с висока енергия - ускорителите на частици - удивляват с размерите и цената си. Те достигат няколко километра в ширина и в сравнение с тях дори лабораториите, в които се изучават сблъсъци на частици, изглеждат миниатюрни. В други области на научните изследвания оборудването се намира в лабораторията, във физиката на високите енергии лабораториите са прикрепени към ускорителя. Наскоро Европейският център за ядрени изследвания (CERN), разположен близо до Женева, отпусна няколкостотин милиона долара за изграждането на пръстеновиден ускорител. Обиколката на изграждания за целта тунел достига 27 км. Ускорителят, наречен LEP (LEP, Large Electron-Positron ring), е проектиран да ускорява електрони и техните античастици (позитрони) до скорости, които са само на косъм, различни от скоростта на светлината. За да получите представа за мащаба на енергията, представете си, че вместо електрони монета от стотинка се ускорява до такива скорости. В края на цикъла на ускоряване ще има достатъчно енергия, за да генерира електроенергия на стойност 1000 милиона долара! Не е изненадващо, че такива експерименти обикновено се класифицират като физика на високите енергии. Движейки се един към друг вътре в пръстена, лъчите от електрони и позитрони изпитват челен сблъсък, при който електроните и позитроните анихилират, освобождавайки енергия, достатъчна за създаването на десетки други частици.

Какви са тези частици? Някои от тях са самите „тухлички“, от които сме изградени: протони и неутрони, които изграждат атомните ядра, и електрони, циркулиращи около ядрата. Други частици обикновено не се намират в материята около нас: техният живот е изключително кратък и след като изтече, те се разпадат на обикновени частици. Броят на разновидностите на такива нестабилни краткотрайни частици е удивителен: вече са известни няколкостотин от тях. Подобно на звездите, нестабилните частици са твърде много, за да бъдат разграничени „по име“. Много от тях са обозначени само с гръцки букви, а някои са просто цифри.

Важно е да се има предвид, че всички тези многобройни и разнообразни нестабилни частици в никакъв случай не са в буквалния смисъл съставни частипротони, неутрони или електрони. Сблъскващи се високоенергийни електрони и позитрони изобщо не се разпръскват на множество субатомни фрагменти. Дори при сблъсъци на високоенергийни протони, които очевидно се състоят от други обекти (кварки), те, като правило, не се разделят на съставни части в обичайния смисъл. Това, което се случва при такива сблъсъци, се разглежда по-добре като директно производство на нови частици от енергията на сблъсъка.

Преди около двадесет години физиците бяха напълно объркани от изобилието и разнообразието от нови субатомни частици, които сякаш нямаха край. Беше невъзможно да се разбере за каквотолкова много частици. Може би елементарните частици са като обитателите на зоологическата градина с имплицитната принадлежност към семействата, но без ясна таксономия. Или може би, както вярваха някои оптимисти, елементарните частици държат ключа към Вселената? Какви са частиците, наблюдавани от физиците: незначителни и произволни фрагменти от материя или очертанията на смътно възприеман ред, които се появяват пред очите ни, показващи съществуването на богата и сложна структура на субядрения свят? Днес няма съмнение за съществуването на такава структура. Микрокосмосът има дълбок и рационален ред и ние започваме да разбираме какво е значението на всички тези частици.

Първата стъпка към разбирането на микрокосмоса е направена в резултат на систематизирането на всички известни частици, точно както през 18 век. биолози съставиха подробни каталози на растителни и животински видове. Най-важните характеристики на субатомните частици са маса, електрически заряд и спин.

Тъй като масата и теглото са свързани, частиците с голяма маса често се наричат "тежки". Отношение на Айнщайн E \u003d mc ^ 2 показва, че масата на една частица зависи от нейната енергия и следователно от нейната скорост. Движещата се частица е по-тежка от частицата в покой. Когато хората говорят за масата на една частица, те имат предвид това. маса за почивка,тъй като тази маса не зависи от състоянието на движение. Частица с нулева маса на покой се движи със скоростта на светлината. Най-очевидният пример за частица с нулева маса на покой е фотонът. Смята се, че електронът е най-лекият от частиците с ненулева маса на покой. Протонът и неутронът са почти 2000 пъти по-тежки, докато масата на най-тежката частица, която е създадена в лабораторията (Z-частици) е около 200 000 пъти масата на електрона.

Електрическият заряд на частиците варира в доста тесен диапазон, но, както отбелязахме, той винаги е кратен на основната единица заряд. Някои частици, като фотони и неутрино, нямат електрически заряд. Ако зарядът на положително зареден протон се приеме за +1, тогава зарядът на електрона е -1.

В гл. 2 въведохме още една характеристика на частиците - спин. Също така винаги приема стойности, които са кратни на някаква фундаментална единица, която по исторически причини е избрана да бъде 1 /2. Така протонът, неутронът и електронът имат спин 1/2, и спинът на фотона е 1. Известни са също частици със спинове 0, 3/2 и 2. Фундаментални частици със спинове, по-големи от 2, не са открити и теоретиците смятат, че частици с такива спинове не съществуват.

Спинът на една частица е важна характеристика и в зависимост от нейната стойност всички частици се разделят на два класа. Частиците със спин 0, 1 и 2 се наричат „бозони“ – в чест на индийския физик Чатиендранат Бозе, а частиците с полуцяло спин (т.е. със спин 1/2 или 3/2) - „фермиони“ в чест на Енрико Ферми. Принадлежността към един от тези два класа е може би най-важният в списъка с характеристики на частиците.

Друга важна характеристика на частицата е нейният живот. Доскоро се смяташе, че електроните, протоните, фотоните и неутриното са абсолютно стабилни, т.е. имат безкраен живот. Неутронът остава стабилен, докато е „заключен" в ядрото, но свободният неутрон се разпада за около 15 минути. Всички останали известни частици са силно нестабилни, с време на живот, вариращо от няколко микросекунди до 10-23 s. Такива времеви интервали изглеждат неразбираеми малки, но не трябва да се забравя, че частица, летяща със скорост, близка до скоростта на светлината (а повечето от частиците, родени в ускорителите, се движат точно с такива скорости), успява да прелети разстояние от 300 m за микросекунда .

Нестабилните частици претърпяват разпад, което е квантов процес и следователно винаги има елемент на непредсказуемост в разпада. Продължителността на живота на дадена частица не може да бъде предвидена предварително. Въз основа на статистически съображения може да се предвиди само средната продължителност на живота. Обикновено се говори за времето на полуразпад на една частица, времето, необходимо на популацията от идентични частици да бъде намалена наполовина. Експериментът показва, че намаляването на популацията става експоненциално (виж Фиг. 6) и полуживотът е 0,693 от средния живот.

За физиците не е достатъчно да знаят, че тази или онази частица съществува - те се стремят да разберат каква е нейната роля. Отговорът на този въпрос зависи от свойствата на изброените по-горе частици, както и от естеството на силите, действащи върху частицата отвън и вътре в нея. На първо място, свойствата на една частица се определят от нейната способност (или неспособност) да участва в силно взаимодействие. Частиците, участващи в силното взаимодействие, образуват специален клас и се наричат андрони.Частиците, които участват в слабото взаимодействие и не участват в силното взаимодействие, се наричат лептони,което означава "бели дробове". Нека разгледаме накратко всяко от тези семейства.

Важно е да се има предвид, че всички тези многобройни и разнообразни нестабилни частици в никакъв случай не са буквално съставни части на протони, неутрони или електрони. Сблъскващи се високоенергийни електрони и позитрони изобщо не се разпръскват на множество субатомни фрагменти. Дори при сблъсъци на високоенергийни протони, които очевидно се състоят от други обекти (кварки), те, като правило, не се разделят на съставни части в обичайния смисъл. Това, което се случва при такива сблъсъци, се разглежда по-добре като директно производство на нови частици от енергията на сблъсъка.

Преди около двадесет години физиците бяха напълно объркани от изобилието и разнообразието от нови субатомни частици, които сякаш нямаха край. Беше невъзможно да се разбере защо толкова много частици. Може би елементарните частици са като обитателите на зоологическата градина с имплицитната принадлежност към семействата, но без ясна таксономия. Или може би, както вярваха някои оптимисти, елементарните частици държат ключа към Вселената? Какви са частиците, наблюдавани от физиците: незначителни и произволни фрагменти от материя или очертанията на смътно възприеман ред, които се появяват пред очите ни, показващи съществуването на богата и сложна структура на субядрения свят? Днес няма съмнение за съществуването на такава структура. Микрокосмосът има дълбок и рационален ред и ние започваме да разбираме какво е значението на всички тези частици.

Изберете подходящия изотоп.Някои елементи или изотопи претърпяват радиоактивен разпад и различните изотопи могат да се държат различно. Най-често срещаният изотоп на урана има атомно тегло 238 и се състои от 92 протона и 146 неутрона, но ядрата му обикновено абсорбират неутрони, без да се разделят на ядра от по-леки елементи. Изотопът на урана, чието ядро съдържа три неутрона по-малко, 235 U, се дели много по-лесно от 238 U и се нарича делящ се изотоп.

Деленето на урана освобождава три неутрона, които се сблъскват с други уранови атоми, което води до верижна реакция.
Някои изотопи се делят толкова лесно и бързо, че е невъзможно да се поддържа постоянна ядрена реакция. Това явление се нарича спонтанен или спонтанен разпад. Например плутониевият изотоп 240 Pu е обект на такъв разпад, за разлика от 239 Pu с по-ниска скорост на делене.

За да продължи реакцията след разпадането на първия атом, трябва да се събере достатъчно изотоп.За целта е необходимо да има определено минимално количество делящ се изотоп, който да поддържа реакцията. Това количество се нарича критична маса. Необходим е достатъчно изходен материал за достигане на критична маса и увеличаване на вероятността от разпад.

Изстреляйте едно атомно ядро на изотоп в друго ядро на същия изотоп.Тъй като свободните субатомни частици са доста редки, често е необходимо да се отделят от атомите, съдържащи тези частици. Един от начините да направите това е да изстреляте един атом от изотопа срещу друг от същия вид.

Този метод е използван за създаването на атомната бомба 235 U, хвърлена над Хирошима. Подобно на оръдие оръжие с уранова сърцевина изстрелва 235 U атоми към мишена от същите 235 U атоми. Деленето на свой ред освобождава неутрони, които разделят следващите 235 U атома.

Огън по ядрата на делящия се изотоп със субатомни частици.Една субатомна частица може да удари атом 235 U и да го раздели на два отделни атома на други елементи, произвеждайки три неутрона. Субатомните частици могат да бъдат получени от контролиран източник (като неутронна пушка) или създадени от ядрени сблъсъци. Обикновено се използват три типа субатомни частици.

протони. Тези субатомни частици имат маса и положителен електрически заряд. Броят на протоните в един атом определя от кой елемент е атом.
неутрони. Масата на тези субатомни частици е равна на масата на протона, но те са неутрални (нямат електрически заряд).
Алфа частици. Тези частици са свободни от електрони ядра на хелиеви атоми. Те се състоят от два протона и два неутрона.