fisiunea nucleară
YM Tsipenyuk
Moscova, Institutul de Fizică și Tehnologie.
fisiunea nucleară
Modelul lichid-o picătură de fisiune
Fig. 1. Foto deformări succesive picături lichide realizate de Thompson si colegii sai de la Universitatea din California Lawrence Laboratory [2]
Scăderea inițială de deformare realizată de tensiunea aplicată de-a lungul picătură. Mai jos se arată ce se întâmplă atunci când deformarea inițială nu este suficientă pentru a diviza și fixați înapoi în starea inițială sferică. Pe fotografiile de sus deformare a dus la scăderea alungirii prag, rezultând în partea sa cea mai îngustă a acesteia împărțit în două, care a dobândit rapid o formă sferică.
Forțele din nucleele atomice sunt diferite, desigur, de forțele o picătură de apă. In cel mai simplu model al unui miez picătură de lichid apare sub formă de sfere cu o sarcină electrică este distribuită în mod uniform pe întregul volum. În cazul în care nucleul de 235 U absoarbe un neutron, energia achiziționată poate merge fie la excitarea unui nucleu sferic de nucleoni, sau pe tulpina acestuia la care se nucleoni rămân neexcitat. Ca rezultat, deformarea miezului se extinde până la un punct de șa la care forța repulsivă dintre sarcinile la capetele miezului alungit devine mai mare decât forțele nucleare atrag. Cu o deformare a miezului este împărțit în două fragmente. Datorită forțelor electrostatice de repulsie care imprastie lumina la 1/30 viteză, transformând astfel se produce energia de fisiune în energie cinetică a fragmentelor nucleu. Apoi, deformat la momentul fragmentelor de fisiune iau forma unor sfere, și energia în exces este purtat de neutroni și raze gamma.
modelul picatura de lichid se explică de ce nuclee grele diviza mult mai frecvent plamanii: mai multe protoni din nucleu, cu atât mai mare forțele de repulsie între capetele nucleelor deformate și energia mai mică suplimentară este necesară pentru acest proces.
Fig. 2. Forma calitativă a energiei în funcție de bază de uraniu de deformare, așa cum se poate observa din modelul de lichid drop
Mai sus am discutat doar fisiune indusă de nuclee, dar după cum sa menționat deja, nucleele grele se pot împărți în mod spontan, adică în mod spontan. Acest proces este un pur cuantic-mecanică. Dacă graficul ilustrează dependența energetică nucleară de deformare (Fig. 2), se observă că, deși este energetic favorabil pentru a separa nucleul greu, acest lucru împiedică o divizare așa-numita barieră. Cu alte cuvinte, în cazul în care energia de deformare inițială crește nucleul său, iar nucleul este dezavantajoasă, deoarece se poate deforma.
Forțele din nucleele atomice sunt diferite, desigur, de forțele o picătură de apă. In cel mai simplu model al unui miez picătură de lichid apare sub formă de sfere cu o sarcină electrică este distribuită în mod uniform pe întregul volum. În cazul în care nucleul de 235 U absoarbe un neutron, energia achiziționată poate merge fie la excitarea unui nucleu sferic de nucleoni, sau pe tulpina acestuia la care se nucleoni rămân neexcitat. Ca rezultat, deformarea miezului se extinde până la un punct de șa la care forța repulsivă dintre sarcinile la capetele miezului alungit devine mai mare decât forțele nucleare atrag. Cu o deformare a miezului este împărțit în două fragmente. Datorită forțelor electrostatice de repulsie care imprastie lumina la 1/30 viteză, transformând astfel se produce energia de fisiune în energie cinetică a fragmentelor nucleu. Apoi, deformat la momentul fragmentelor de fisiune iau forma unor sfere, și energia în exces este purtat de neutroni și raze gamma.
modelul picatura de lichid se explică de ce nuclee grele diviza mult mai frecvent plamanii: mai multe protoni din nucleu, cu atât mai mare forțele de repulsie între capetele nucleelor deformate și energia mai mică suplimentară este necesară pentru acest proces.
Mai sus am discutat doar fisiune indusă de nuclee, dar după cum sa menționat deja, nucleele grele se pot împărți în mod spontan, adică în mod spontan. Acest proces este un pur cuantic-mecanică. Dacă graficul ilustrează dependența energetică nucleară de deformare (Fig. 2), se observă că, deși este energetic favorabil pentru a separa nucleul greu, acest lucru împiedică o divizare așa-numita barieră. Cu alte cuvinte, în cazul în care energia de deformare inițială crește nucleul său, iar nucleul este dezavantajoasă, deoarece se poate deforma. Cu toate acestea, în mecanica cuantică tunelare prin bariera este posibilă. Prin urmare, există o probabilitate finită de fisiune spontană a nucleelor grele în unitatea de timp, este mai mare numărul atomic (taxa nucleară), cea mai mică bariera împărțind mai mare probabilitatea de fisiune spontană și mai puțin fisiune spontană. Elementele Transuranice sunt împărțite foarte ușor, iar acest lucru este determinat de limita masei izotop stabil.
La U bariera de fisiune izotopul 235 este de aproximativ 6 MeV, doar energia care face lent neutronului în nucleu, și, prin urmare, astfel încât este ușor divizibil izotopului în absorbția unui neutron.
Procesul de fisiune nucleară este ușor descrisă pe baza modelului lichid-drop. Lăsați kernel-ul își schimbă forma, cum ar fi sferice devin elipsoidală. Volumul nucleului nu este schimbat (materia nucleara aproape incompresibil), dar crește suprafata si scade energia Coulomb (crește distanța medie dintre protoni). Evident, cantitatea determinarea capacității de a diviza nucleu, este raportul dintre energia Coulomb la suprafață, adică
Proprietățile de bază de fisiune anticipată cu ușurință pe baza raționamentul de mai sus.
- Când împărțirea nucleului grele trebuie să fie eliberat de energie mare Q, deoarece energia specifică nuclee grele în aproximativ 0,8 MeV mai mici nuclee secundare. De exemplu, pentru 238 U nucleu
Dacă se presupune că = R1 + R2. în care R1. R2 - fragmente nuclee raze, care poate fi calculată din formula R = 1,3 * 13 octombrie, o 1/3 cm, un Zl = Z2 = Z0 / 2 = 46 (presupunând că miezul este împărțit în jumătate), obținem
adică valoarea aceeași ordine ca și cea a Q.
- Fragmentele rezultate de fisiune ar trebui să fie radioactiv și poate emite neutroni. Acest lucru rezultă din faptul că, raportul dintre numărul de încărcare nucleară de neutroni la numărul de protoni crește din cauza creșterii protonilor de energie pandative XYZ. Prin urmare, fragmente de nuclee vor purta același raport diviziunea N / Z, ca, să zicem, că de uraniu, care este, va fi supraîncărcat cu neutroni, iar aceste teste nuclee de degradare (din cauza neutronilor de suprasarcină mari produsele din această degradare este, de asemenea, o activitate, astfel încât fragmentele de fisiune dau naștere la o suficient de lungi lanțuri de nuclee radioactive). În plus, o parte din energia poate fi purtat de emisie directă de neutroni secundari sau a neutronilor de fisiune. Energia medie a neutronilor de fisiune este de aproximativ 2 MeV.
Numărul mediu de neutroni emiși pe fisiune, depinde de masa nucleului fisionabile și crește cu Z. Dacă kernel 240 Pu = 2,2, deja pentru 252 Cf = 3.8. De la 252 CF, de asemenea, dezintegrează suficient de rapid (în raport cu fisiunea spontană a T1 / 2 = 85 de ani, dar este într-adevăr durata de viață timp de degradare este determinată și este de 2,64 ani), este o sursă intensă de neutroni (în prezent, acesta este unul dintre cele mai promițătoare surse de neutroni radioactive).
mare de energie și a emisiilor de neutroni secundari în procesul de fisiune sunt de o mare importanță practică. În procesul de fisiune nucleară pe bază de reactoare nucleare de lucru. Trebuie remarcat faptul că în prezent în Europa de Vest aproximativ 50% din energia electrică este produsă de centralele nucleare.
efecte coajă
Modelul Liquid drop explică multe caracteristici ale procesului de fisiune, dar stabilitatea cele mai grele nucleele sunt puternic influențate de efectele lochechnye-locație, iar acestea sunt determinate nu numai de structura barierei de fisiune, ci și starea fundamentală a nucleului. Este cunoscut faptul că nucleul ca atomii sunt la structura strat obol. Efectul acestei structuri este important pentru toate nucleele. Rolul său pentru cele mai dificile nuclee, cu toate acestea, cel mai important, pentru că mulți dintre ei pur și simplu nu ar exista fără aceste efecte.
Figura 3. core Energy 240 Pu ca funcție de parametrul de deformare axial-simetric (raportul dintre semiaxes reale). energie minimă corespunde deformata, mai degrabă decât o formă sferică a nucleului, al doilea maxim este responsabil pentru apariția statelor nucleare de fisiune practic statice
Fig. 4. Bariera completa fisiunea 264 108 (linie solidă) și partea netedă calculată în diferite exemple de realizare, modelul de lichid drop
Calculele teoretice au arătat că cel mai puternic amendament microscopice modifică energia potențială de suprafață asociată cu diviziunea. Pentru nuclee, cum ar fi 260106, având un timp de înjumătățire în raport de fisiune spontană câteva milisecunde, creșterea în timpul vieții datorită influenței structurii cochilie definește efectiv de înjumătățire. Comparativ cu predicțiile lichid picătură de viață cu 15 ordine de mărime mai mult! Figura 4 ilustrează modul în care efectele shell sunt importante pentru nuclee grele.
Această figură prezintă bariera de fisiune spontană 264 108 sau, cu alte cuvinte, dependența stării fundamentale a nucleelor de mărimea energiei de deformare longitudinală. Bariera completa fisiune cu corecția shell este arătată de linia solidă și netedă porțiunea sa - punctată linii și puncte (calculele au fost efectuate în diferite abordări). Se poate observa că o înălțime considerabilă (aproximativ 6 MeV), bariera împărțind rezultatul includerii efectelor shell. Fără ele, nici o barieră de fisiune apare.
O altă predicție surprinzătoare a teoriei a fost posibilitatea existenței unor nuclee superheavy stabile necunoscute - insula de stabilitate, probabil în regiunea Z = 114.
Ultimul nucleu stabil natural existent pe planeta noastră este uraniul, taxa este egală cu 92. Toate elementele mai grele sunt artificiale, acestea sunt radioactive și se dezintegrează în timpul existenței Pământului. Toate elementele de până la 100 au fost obținute prin iradiere cu neutroni și dezintegrarea ulterioară a nucleelor și apoi sinteza de celule noi produse folosind bombardamentul cu izotopi stabili cu ioni grei.
Absența elementelor în natură, cu numărul de protoni depășește 92 din cauza dezintegrarea instabilitate relativă sau fisiune spontană. În tranziția de la toriului la fermă în timpul fisiunea spontană este redusă cu 30 de ordine de mărime! Prin urmare, se pare că sinteza elementelor transfermium absolut ireal. Acesta este motivul pentru care previziunile de calcul teoretic bazat pe metoda de Strutinskii a cauzat numeroase încercări de a găsi elemente stabile supergrele experimentale. Facem experiența de căutare pentru elementele superheavy în natură și metodele lor de sinteză a reacțiilor nucleare.
Cu toate acestea, entuziasmul 70-e stins treptat, deoarece nu a existat nici o căutare de rezultate pozitive în ambele direcții. Încercarea de a superheavy elemente bombardament, de exemplu, uraniu ionii din ce grele, din păcate, a avut ca rezultat faptul ca rezultat compus nucleul avut toate o temperatură mai mare (pentru a învinge energia de barieră Coulomb incidentului ionic trebuie crescută), nucleoni evaporate inainte pentru a forma dorită nucleu supergreu. Dar, la începutul anilor '80 a intensității cercetării în acest domeniu a crescut, iar acest lucru a fost din cauza a două motive: teoreticienii, elaborarea unor metode mai sofisticate de calcul, insistă asupra predicția fiabilității existenței insulei de stabilitate, iar experimentatorii pipăit metode eficiente de sinteză.
Ideea metodei propuse constă fizicienii Dubna care primesc nucleu slab cu emisie de numai unul sau doi neutroni pot bombardează nuclee tinta de tip exotici 48 Ca sau 34 S, în care mult mai neutronii decât nucleele elementelor convenționale. Astfel, odată ce a format miez intermediar cu numărul necesar de neutroni. Această metodă se numește „fuziune la rece“. Esența ei constă în utilizarea atât ca țintă și bombardand nuclee de particule cu numere magice aproape de numărul de neutroni și protoni. De exemplu, prin iradiind ionii 32 238 U S obținut nucleu slab compus (energia de excitare de ordinul a 50 MeV), după emisia care patru sau cinci neutroni generate din miezul 108 și numărul de încărcare de neutroni 159 și 160. La o astfel de energie de excitare relativ scăzută este crescută relativă stabilitate și împărțirea miezului își pierde energia în principal, prin emisie de raze, și numai unul sau doi neutroni. Această metodă a permis să se deplaseze până la elementul 110-lea, dar, din păcate, secțiunea transversală a reacției de fuziune la rece scade brusc odată cu creșterea încărcăturii nucleare.
Identificarea elementelor noi se face prin măsurarea lanțului de transformări radioactive. Izotopii elementelor superheavy se încadrează în principal din cauza dezintegreaza, tocmai pentru că sunt în legătură cu fisiune spontană este mult mai stabil.
Deși stabilitatea insulei nu a fost încă atins, experimentatorii au arătat în mod clar că există deja efectul neutron shell N - 162 în momentul de înjumătățire a miezurilor sintetizate. Deja, există toate motivele să credem că o insulă de stabilitate în jurul nucleului sferic supergreu 294 110 acolo. Care se întinde din arhipelag insulă de stabilitate se manifestă în proprietățile 265 106, 266 106, 261 107, 262 108, 263 109.
Fig. 6. logaritmi timpul de înjumătățire plasmatică (în secunde) cu emisia de particule alfa () și fisiune spontană (sf), calculat pentru diferiți izotopi ai elementului 114
Aspectul regiunii nucleelor superheavy deformate in jurul nucleului prezis de două ori magie 270 108 este importantă în ultimii ani, schimbarea ideile noastre cu privire la stabilitatea cele mai grele nuclee. Înainte de a crezut mult timp că miezul sferic supergreu prezis, dispuse in jurul nucleului dublu magică 298114 constituie insulă de stabilitate, care este separată de Peninsula nuclei relativ lungă durată „mare“ instabilitate completă. Apariția nucleelor superheavy deformate ne permite să ne așteptăm ca peninsula ar trebui să fie extins la insula de nuclee sferice superheavy inclusive.
Fig. 6 arată relația dintre timpul de înjumătățire calculat miezului 114 în ceea ce privește -decay și diviziunea. Se poate observa că cele mai grele izotop al elementului perioadei de înjumătățire putrezire este determinată și este de aproximativ 20 de secunde. Astfel, se poate aștepta ca nucleul câmpului supergreu se va dezintegra în principal prin emisia de particule, ceea ce este important pentru cercetarea experimentală și studiul acestor nuclee, deoarece face identificarea lor mai fiabile.