Физика атома и ядра (курс лекций)

Открытие деления ядер под действием нейтронов связано с именем Ферми, который со своими сотрудниками пытался получить новые химические элементы путем облучения атомных ядер нейтронами. Они действительно получили новые радиоактивные ядра с различными периодами полураспада. Последующий радиохимический анализ показал, что продукты этих реакций являются известными химическими элементами из середины таблицы Менделеева. Оказалось, что возбужденное ядро урана или тория, которое получилось после захвата нейтрона, делится на две мелкие части почти одинаковой массы. Их называли осколками. Реакция деления урана может быть представлена уравнением

Реакцию деления атомных ядер можно вызвать, бомбардируя тяжелые ядра не только нейтронами, но и другими частицами: α - частицами, γ - частицами, дейтронами и протонами. Укажем реакцию, вызванную бомбардировкой ядра изотопа ₂₉Cu⁶³ меди протоном

Итак, деление ядра происходит в результате захвата налетающей частицы. Деление ядра связано с очень глубокой перестройкой ядра и по механизму осуществления сильно отличается других типов ядерных реакций. Интенсивность реакции деления зависит от энергии налетающих нейтронов и от сорта ядер. При реакции деления выделяется довольно большое количество энергии в форме кинетических энергий ядер - осколков и испускаемыми ими элементарных частиц: электронов, протонов, нейтрино и нейтронов. Испускание при делении ядер нескольких нейтронов делает возможным осуществление цепной реакции. Такая реакция обусловлена тем, что попадание в ядро нейтрона вызывает распад ядра с одновременным вылетом нескольких новых нейтронов, которые в свою очередь вызывают деления ядер урана, то есть следующий акт цепной реакции. При каждом акте деления выделяется энергия, равная примерно 200 МэВ. Процесс деления можно сделать самоподдерживающимся. Реакция деления атомных ядер под действием так называемых медленных нейтронов лежит в основе работы ядерных реакторов, в которых поддерживается управляемая цепная реакция деления, что делает возможным практическое применение ядерной энергии в производстве. Цепная реакция впервые была осуществлена Ферми и его сотрудниками в 1942 году. Управляемая цепная реакция деления практически осуществима на изотопах урана ₉₂U²³⁵,₉₂U²³³ и плутония ₉₄Pu²³⁹. Из них два последние изотопы получают в промышленном масштабе искусственным путем, а изотоп ₉₂U²³⁵ урана имеется в достаточном количестве в самой природе.

Другим видом ядерных реакций является слияние ядер. Оно возможно лишь тогда, когда эти частицы, преодолев кулоновское взаимодействие, сближаются на расстояние действия ядерных сил, порядка нескольких ферми. Наиболее важным и наиболее доступным процессом слияния ядер является дейтерий-тритиевая реакция

Для данной реакции наиболее низок кулоновский барьер и довольно велико эффективное сечение взаимодействия при малых энергиях. Реакция происходит с выделением огромной энергии, при которой достигается температура порядка T>10⁷K. Энергетический эффект реакции Q=+17,5 МэВ. Такие реакции, в которых из легчайших ядер синтезируются более тяжелые частицы с выделением огромной внутриядерной энергии, называются реакциями термоядерного синтеза, или просто термоядерными реакциями. Реакция (3) и другие подобные реакции синтеза осуществляются с огромной скоростью и сопровождаются сверхмощным взрывом. В этом смысле они не управляемы. Для использования энергии этих реакций в производственных целях необходимо придать им спокойный управляемый характер. Эта проблема называется проблемой управляемого термоядерного синтеза. Она усиленно разрабатывается во многих странах, но пока еще не осуществлена.