Искусственная радиоактивность. Ядерные реакции. Цепная реакция деления

Спустя 38 лет после открытия Беккереля французские учёные Фредерик и Ирен Жолио-Кюри провели один очень интересный опыт. Они поместили в близи источника быстрых альфа-частиц алюминиевую фольгу и подвергли её облучению в течение нескольких минут. Затем они удалили источник и поднесли к фольге счётчик Гейгера. Какого же было удивление учёных, когда они обнаружили, что алюминиевая фольга стала радиоактивной: она испускали позитроны в течение некоторого времени.

Дальнейшие исследования показали, что при облучении, ядра алюминия захватывают альфа-частицы и превращаются в ядра изотопа фосфора-тридцать с испусканием нейтрона:

Полученный искусственно изотоп фосфора радиоактивен. Поэтому он в течение очень короткого промежутка времени самопроизвольно испускает позитрон и превращается в стабильный изотоп кремния-тридцать:

Так было открыто явление искусственной радиоактивности, за которое супруги Жолио-Кюри в 1935 году были удостоены Нобелевской премии по химии.

Искусственная радиоактивность — это распад изотопов, полученных искусственным путём (то есть в результате ядерных реакций).

Ядерными реакциями мы с вами будем называть превращение атомных ядер при их взаимодействии с элементарными частицами или друг с другом.

Ядерные реакции происходят лишь тогда, когда частицы приближаются друг к другу настолько, что попадают в зону действия ядерных сил.

Сразу обратим ваше внимание на то, что в любой ядерной реакции выполняются законы сохранения энергии и импульса. При этом, что важно, сумма зарядовых и массовых чисел ядер и частиц, вступающих в ядерную реакцию, равна сумме зарядовых и массовых чисел ядер и частиц, получающихся в результате реакции.

Действие законов сохранения ограничивает возможные варианты ядерных реакций и позволяет предсказать возможные пути (механизмы) ядерных превращений.

Чаще всего символически ядерные реакции записываются, как:

А + а → В + b,

где А — это исходное ядро, а — бомбардирующая частица. Соответственно, В — это конечное ядро, а b — испускаемая частица.

Для осуществления ядерной реакции под действием положительно заряженной частицы необходимо, чтобы частица обладала кинетической энергией, достаточной для преодоления сил кулоновского отталкивания. Например, в исторически первой ядерной реакцией, в результате которой в 1919 году Эрнестом Резерфордом был открыт протон, лишь одна из примерно 50 000 альфа-частиц захватывалась ядром азота с последующим испусканием протона:

Поэтому для осуществления таких ядерных реакций необходимо заряженным частицам сообщать достаточно большую кинетическую энергию, например, в ускорителях.  В них заряженные частицы разгоняются электрическим полем, двигаясь по замкнутым орбитам или спирали, где они удерживаются с помощью магнитного поля. В современных ускорителях заряженные частицы или ядра атомов разгоняются от десятков мегаэлектронвольт до сотен гигаэлектронвольт.

Первая ядерная реакция на быстрых протонах была осуществлена в 1932 году. В ней удалось расщепить ядро лития-7 на две альфа-частицы:

Открытие нейтрона дало новый импульс в исследовании ядерных реакций. Поскольку у нейтронов нет электрического заряда, то они могут беспрепятственно проникать в атомные ядра и вызывать их изменение. Например, если нейтрон влетит в ядро алюминия, то образуется изотоп натрия и альфа-частица:

Великий итальянский физик Энрико Ферми первым начал изучать реакции, вызываемые нейтронами. Он обнаружил, что ядерные превращения вызываются не только быстрыми нейтронами (с энергией в несколько мегаэлектронвольт), но и медленными (десятые доли электронвольта). Причём медленные нейтроны во многих случаях более эффективны, чем быстрые, так как они более вероятно вступают в реакции с данной мишенью.

Как вы могли заметить, в большинстве ядерных реакций, которые называют прямыми ядерными взаимодействиями, участвуют два ядра и две частицы. Первая пара «ядро — частица» называется исходной, а вторая — конечной:

А + а → В + b.

В таких реакциях энергия, вносимая в ядро, передаётся преимущественно одному или небольшой группе нуклонов. Такой механизм реакции является основным при больших энергиях бомбардирующих частиц.

При малых энергиях бомбардирующих частиц наряду с прямыми ядерными реакциями в соответствии с представлениями, развитыми Нильсом Бором, осуществляются также реакции, происходящие в два этапа, с образованием составного ядра:

Х + а → С^* → Y + b.

На первом этапе ядро поглощает (то есть захватывает) частицу и образуется составное ядро в возбуждённом состоянии. Энергия поглощённой частицы распределяется между всеми нуклонами составного ядра, причём энергия, приходящаяся на каждый нуклон, меньше удельной энергии связи. На втором этапе вследствие обмена энергией между нуклонами на одном или нескольких из них может сконцентрироваться энергия, достаточная для преодоления ядерных сил и вылета из составного ядра. В результате составное ядро превращается в конечное с испусканием частицы или гамма-кванта и высвобождением избытка энергии.

Особый тип ядерных реакций представляют реакции деления элементов, расположенных в конце Периодической системы химических элементов. В результате таких реакций выделяется огромное количество энергии. Почему это происходит? Обратимся к графику удельной энергии связи нуклонов.

Итак, для тяжёлых ядер, например таких, как уран-235, удельная энергия связи, приходящаяся на нуклон, составляет примерно 7,6 МэВ. Ядра химических элементов из середины периодической системы элементов Менделеева обладают максимальной удельной энергией связи — до 8,8 МэВ на нуклон. Таким образом, при расщеплении тяжёлого ядра на два три более лёгких осколка энергия связи, приходящаяся на каждый нуклон, увеличится на величину порядка одного мегаэлектронвольта. А исходя из закона сохранения энергии, такое же количество энергии выделится при делении ядра. Следовательно, в ходе ядерной реакции, приводящей к появлению ядер с большей удельной энергией связи, должна выделяться энергия.

Напомним, что ядерная реакция, сопровождающаяся выделением энергии, называется экзотермической. Если же наоборот, ядерная реакция происходит за счёт поглощения энергии, то её называют эндотермической.

Процессы, происходящие при ядерных реакциях, очень сложны, но их энергетический выход вычислить довольно просто благодаря великой формуле Эйнштейна. Для этого необходимо знать только массы всех компонентов ядерной реакции:

Интересно, что распад тяжёлых ядер на более лёгкие элементы долгое время считался невозможным (вплоть до 1938 года). В этом году немецкие учёные Отто Ган и Фриц Штрассман при поиске трансурановых элементов (элементов, расположенных за ураном в таблице Менделеева) облучали уран нейтронами и в продуктах реакции нашли следы бария. 17 декабря 1938 года они провели решающий опыт, на основании которого Ган заключил, что ядро урана «лопается», распадаясь на более лёгкие элементы.

В 1939 году австрийский физик Лиза Мейтнер и её племянник Отто Роберт Фриш дали верную интерпретацию это явления. По мнению учёных, при попадании нейтрона в тяжёлое ядро урана происходит деление последнего на две примерно равные части. Поскольку в дочерних относительно лёгких ядрах оказывается избыток нейтронов, то вероятен ещё и вылет нескольких нейтронов.

Фриш незамедлительно сообщил об открытии Нильсу Бору, который на знаменитой конференции по теоретической физике в Вашингтоне 26 января 1939 года сообщил об открытии деления урана. Интересно, что многие физики, принимавшие участие в этой конференции, не дожидаясь конца доклада, один за другим стали покидать заседание, чтобы проверить сообщение в своих лабораториях. Так было открыто расщепление ядра.

В том же году Фредерик Жолио-Кюри, Ханс Халбан и Лев Николаевич Коварский показали, что действительно при делении одного ядра урана на два осколка освобождается два или три нейтрона и выделяется около 200 МэВ энергии.

Чтобы понять, почему ядро урана под действием нейтрона начинает делиться, представим его себе в виде капли заряженной жидкости (капельная модель ядра). Согласно этой модели, нейтрон при поглощении ядром передаёт ему дополнительную энергию, которая распределяется между всеми входящими в состав ядра нуклонами. Образуется новое промежуточное ядро, находящееся в возбуждённом состоянии. Ядерная «жидкость» начинает совершать колебания и ядро приобретает удлинённую форму типа гантели. И как только крайние части ядра во время колебаний отдаляются на расстояние, где ядерные силы уменьшаются, тогда ядро и разделяется на два осколка, испуская при этом два — три нейтрона.

А теперь представим, что у нас есть некоторое количество ядер урана-двести тридцать пять. Образовавшиеся в результате первого деления нейтроны смогут разделить новые ядра урана образовав новые нейтроны. Так, при определённых условиях процесс, начавшись однажды с одного нейтрона, может принять характер цепной реакции.

Ядерная реакция деления, в которой частицы, вызывающие реакцию, образуются как продукты этой же реакции, называется цепной.

Интересно, что первым, кто заметил, что процесс ядерного деления может породить цепную реакцию и привести к большим выбросам энергии, была Лиза Мейтнер.  Её заявление вызвало сенсацию в научной среде. Но знания, при помощи которых можно было создать оружие невероятной силы, могли оказаться в немецких руках. Американские учёные убедили Альберта Эйнштейна написать предупреждающее письмо президенту США Франклину Рузвельту, после чего был создан проект «Манхэттен» по разработке ядерного оружия. Будучи по убеждениям пацифисткой, Мейтнер отказалась работать в этом проекте, заявив: «Я не буду делать бомбу!» Но было поздно — бомбу смогли сделать и без неё.

Первая управляемая цепная ядерная реакция была осуществлена Энрико Ферми в США в 1942 году. А в СССР первая цепная реакция была осуществлена Игорем Васильевичем Курчатовым в 1946 году.

Скорость цепной реакции деления ядер характеризуется коэффициентом размножения нейтронов.

Коэффициент размножения нейтронов равен отношению числа нейтронов в теле в данном поколении цепной реакции к их числу в следующем поколении:

Цепная ядерная реакция будет самоподдерживающейся, если количество нейтронов в каждом следующем поколении не уменьшается (то есть коэффициент размножения нейтронов будет равен единице). Если же коэффициент размножения нейтронов будет меньше единицы, то реакция будет затухающей, если же больше единицы — то скорость реакции нарастает со временем, что может привести к ядерному взрыву.