Открытие атомного ядра Рассмотрим несколько подробнее одно из фундаментальных открытий Резерфорда -открытие атомного ядра и планетарной модели атома. Мы видели, что уподобление атома планетной системе делалось еще в самом начале XX в. Но эту модель было трудно

Протонно-нейтронная модель ядра 28 мая 1932 г. советский физик Д. Д. Иваненко опубликовал в «Nature» заметку, в которой высказал предположение, что нейтрон является наряду с протоном структурным элементом ядра. Он указал, что такая гипотеза решает проблему азотной катастрофы. В

Внутри ядра Это небывалое путешествие пройдет для пассажиров Жюль-Вернова ядра далеко не так мирно и благополучно, как описано в романе. Не думайте, однако, что опасность грозит им во время путешествия от Земли до Луны. Ничуть! Если бы им удалось остаться живыми к моменту,

К главе VIII 6. Давление внутри пушечного ядра Для читателей, которые пожелали бы проверить расчеты, упомянутые на стр. 65-й, приводим здесь эти несложные вычисления.Для расчетов нам придется пользоваться лишь двумя формулами ускоренного движения, именно:1) Скорость v в конце

4.2. Физические характеристики, строение ядра В последнее десятилетие наши знания о кометах и о процессах, происходящих на них, значительно расширились. Резкому повышению интереса к кометам способствовали подготовка и проведение международного космического

РЕЗЕРФОРД И ОТКРЫТИЕ АТОМНОГО ЯДРА Что же происходило с тем, кто в молодости был хорошим игроком в регби, а затем раньше всех догадался, что атом может распадаться? Эрнест Резерфорд закончил свою американскую «ссылку» в январе 1907 года, через некоторое время после смерти

Анри Беккерель

Когда-то учёные полагали, что атомы — это самые мелкие частицы. Но сто лет назад они обнаружили, что и атомы можно разделить на гораздо более мелкие частицы. Именно благодаря этому стало возможным создание атомной бомбы. В 1896 году французский учёный Анри Беккерель (1852-1908 гт.) случайно обнаружил, что некоторые атомы «радиоактивны», то есть испускают лучи.

В следующем году английский учёный Дж. Дж. Томсон (1856-1940 гт.) заметил, что светящиеся электрические лучи на самом деле являются электрически заряженньгми частицами, размер которых во множество раз меньше атома. Было доказано, что эти частицы — электроны — находятся в атомах.

Эрнест Резерфорд

Немного позже английский учёный Эрнест Резерфорд (1871-1937 гт.) обнаружил, что радиоактивность — это не что иное, как расщепление атомов с образованием других атомов. При распаде эти атомы также излучают потоки частиц, которые он назвал альфа- и бета-частицами. В 1911 году Резерфорд направил потоки альфа-частиц на золотую фольгу.

Большинство из них прошло прямо сквозь неё. но несколько отскочили назад. Он понял, что атомы не являются твёрдыми кусками материи, как считали до этого, а в основном представляют собой пустое пространство, и поэтому частицы обьгчно проходили сквозь фольгу. Но у них есть маленькие и плотные центральные положительно заряженные части — ядра, и именно о них ударились те несколько частиц, которые отскочили назад. В 1912 году вместе с Резерфордом начал работать датский учёный Нильс Бор (1885-1962 гг.). Бор предположил. что у каждого вида атома разное количество электронов, которые кружатся на различных расстояниях вокруг ядра, подобно планетам на солнечной орбите. Сегодня мы знаем, что электроны больше похожи на расплывчатые облака энергии, чем на планеты, но по существу идея Бора была правильной.

Расщепление атома В 1919 году Резерфорду впервые удалось расщепить атомы. Он обстреливал альфа-частицами газообразный азот, и в результате ядра водорода отделились от ядер азота. Тогда Резерфорд пришёл к убеждению, что все атомные ядра построены из ядер водорода, которые он назвал протонами. В 1932 году англичанин Джеймс Чедвик (1891— 1974 гг.) обнаружил в ядре ещё одну частицу — нейтрон. Нейтроны не имеют электрического заряда, в отличие от прогонов, имеющих положительный заряд, который уравновешивает отрицательный заряд электронов.

Итальянский учёный Энрико Ферми (1901— 1954 гг.) задался целью выяснить, что случится, если направить поток нейтронов на крупнейший из известных атомов — атом урана. Он полагал, что нейтроны соединятся с ураном и образуется ещё более крупный атом.

В действительности, как показала австрийский физик Лиза Мейтнер (1878-1968 гг.), атом урана расщепился на две части, образовав более мелкие атомы, такие как барий. При этом также произошло высвобождение дополнительных нейтронов. Если бы затем эти нейтроны, в свою очередь, расщепили и другие атомы урана, то могла бы начаться «цепная реакция» сголкно вений и расщеплений. Учёные поняли, что при расщеплении атомных ядер в подобной цепной реакции высвобождается огромное количество энергии.

Этой энергии до сгаточно, чтобы создать невероятно мощную бомбу. Воспользовавшись этой идеей, группа учёных под руководством американца Роберта Оппенгей-мера (1904-1967 гг.) создала первую атомную бомбу. В августе 1945 г., во время Второй мировой войны (1939-1945 гг.), американские урановые бомбы были сброшены на японские города Хиросиму и Нагасаки. Это привело к ужасающим и разрушительным последствиям.

Выберите подходящий изотоп. Некоторые элементы или изотопы претерпевают радиоактивный распад, при этом различные изотопы могут вести себя по-разному. Наиболее распространенный изотоп урана имеет атомный вес 238 и состоит из 92 протонов и 146 нейтронов, но его ядра обычно поглощают нейтроны без расщепления на ядра более легких элементов. Изотоп урана, ядро которого содержит на три нейтрона меньше, 235 U, расщепляется намного легче, чем 238 U, его называют делящимся изотопом.

• При расщеплении (делении) урана высвобождается три нейтрона, которые сталкиваются с другими атомами урана, в результате чего возникает цепная реакция.
• Некоторые изотопы расщепляются настолько легко и быстро, что невозможно поддерживать постоянную ядерную реакцию. Это явление называется спонтанным, или самопроизвольным, распадом. Например, такому распаду подвержен изотоп плутония 240 Pu, в отличие от 239 Pu с меньшей скоростью деления.

Чтобы реакция продолжилась после распада первого атома, следует собрать достаточно изотопа. Для этого необходимо иметь определенное минимальное количество делящегося изотопа, который будет поддерживать реакцию. Это количество называют критической массой. Чтобы достичь критической массы и повысить вероятность распада, требуется достаточное количество исходного материала.

Расщепление ядер атомов различных элементов используется в настоящее время достаточно широко. На реакции расщепления работают все ядерные электростанции, на этой реакции основан принцип действия всего ядерного оружия. В случае управляемой или цепной реакции, атом, разделившись на части, больше не может соединиться назад и вернуться в свое исходное состояние. Но, используя принципы и законы квантовой механики ученым удалось расщепить атом на две половинки и соединить их снова, не нарушив целостности самого атома.

Ученые из Боннского университета использовали принцип квантовой неопределенности, который позволяет объектам существовать сразу в нескольких состояниях. В эксперименте, с помощью некоторых физических уловок, ученые заставили единственный атом существовать сразу в двух местах, расстояние между которыми составляло чуть больше одной сотой миллиметра, что в атомном масштабе является просто огромным расстоянием.

Такие квантовые эффекты могут проявляться только при чрезвычайно низких температурах. Атом цезия с помощью света лазера был охлажден до температуры в одну десятую одной миллионной доли градуса выше абсолютного нуля. Охлажденный атом затем удерживался в оптической ловушке луча света другого лазера.

Известно, что ядро атома может вращаться в одном из двух направлений, в зависимости от направления вращения свет лазера толкает ядро вправо или влево. "Но у атома, в определенном квантовом состоянии может быть "раздвоение личности", одна его половина вращается в одну сторону, другая - в обратную. Но, при этом, атом все еще является целым объектом" - рассказывает ученый-физик Андреас Штеффен. Таким образом, ядро атома, части которого вращаются в противоположных направлениях, может быть расколото лучом лазера на две части и эти части атома могут быть разнесены на значительное расстояние, что и удалось реализовать ученым в ходе своего эксперимента.

Ученые утверждают, что используя подобный метод, можно создавать так называемые "квантовые мосты", являющиеся проводниками квантовой информации. Атом вещества разделяется на половинки, которые разводятся в стороны, пока не войдут в соприкосновение со смежными атомами. Образуется нечто вроде полотна дороги, пролет, соединяющий два столба моста, по которому может быть передана информация. Это возможно благодаря тому, что разделенный таким образом атом продолжает оставаться единым целым на квантовом уровне из-за того, что части атома запутаны на квантовом уровне.

Ученые Боннского университета собираются использовать такую технологию для моделирования и создания сложных квантовых систем. "Атом для нас является чем-то вроде хорошо смазанной шестеренки" - рассказывает доктор Андреа Альберти (Dr Andrea Alberti), руководитель группы ученых. - "Используя множество таких шестеренок можно создавать квантовое счетно-решающее устройство с характеристиками, намного превосходящими характеристики самых совершенных компьютеров. Надо только уметь правильно расположить и соединить эти шестеренки".

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.