20.22. Деление ядер и ядерный синтез

Нестабильность тяжелых элементов по сравнению с элементами, имеющими массовые числа порядка 60, как показывает кривая энергии связи, свидетельствует о возможности самопроизвольного распада тяжелых элементов на части примерно половинного размера. Такое деление удалось осуществить.

Немецкие физики О. Ган и Ф. Штрассман 6 января 1939 г. сообщили, что ими обнаружено присутствие бария, лантана, церия и криптона в урансодержащих соединениях, подвергшихся действию нейтронов. На протяжении последующих двух месяцев было опубликовано более 40 статей по проблеме деления урана. Прямые калориметрические измерения показали, что при таком делении выделяется очень большое количество энергии, превышающее 20·10¹² Дж·моль⁻¹. Учитывая, что килограмм урана содержит 4,26 г-атома, полное деление такого количества урана (1 кг) или другого аналогичного тяжелого элемента приведет к выделению около 0,8·10¹⁴ Дж. Это количество энергии можно сопоставить с теплотой, выделяющейся при сгорании 1 кг угля, которая составляет приблизительно 4·10⁷ Дж. Таким образом, уран как источник энергии в 2 млн. раз ценнее угля.

Уран-235 и плутоний-239, которые можно получить из урана-238, могут подвергаться делению под действием медленных нейтронов. Изотоп тория ²³²Th также подвергается делению под действием быстрых нейтронов, как показал в 1939 г. японский физик И. Нисина.

За единицу энергии, высвобождающейся при делении ядер (или при синтезе ядер, описанном ниже), обычно принимают мегатонну (Мт). Одна мегатонна равна 8·10¹⁵ Дж, что соответствует энергии взрыва 1 млн. т обычного взрывчатого вещества тринитротолуола (ТНТ). Энергия деления 100 кг урана или плутония равна 1 Мт.

Рис. 20.18. Деление ядра ²³⁵U.

Уран и торий стали важными источниками теплоты и энергии. Эти элементы можно добывать в больших количествах — содержание урана в земной коре, как установлено, равно 4 млн⁻¹, а содержание тория 12 млн⁻¹. Залежи этих элементов имеются во всех частях света.

Реакции деления могут быть цепными реакциями. Такие реакции инициируются нейтронами. Ядро ²³⁵U, например, может соединиться с нейтроном и дать ²³⁶U. Этот изотоп неустойчив и подвергается самопроизвольному делению на две части меньшего размера; протоны, содержащиеся в ядре ²³⁶U, распределяются между двумя дочерними ядрами (рис. 20.18). Последние содержат бóльшую часть нейтронов, первоначально принадлежавших ядру ²³⁶U. Однако, поскольку отношение нейтронов и протонов больше в более тяжелых ядрах, нежели в ядрах, обладающих средней массой, деление сопровождается освобождением нескольких свободных нейтронов. Освобождающиеся таким образом нейтроны могут затем соединяться с другими ядрами ²³⁵U, образуя дополнительные ядра ²³⁶U, которые в свою очередь подвергаются делению. Реакции, в результате которых образуются продукты, вызывающие продолжение данной реакции, называются цепными или аутокаталитическими (разд. 10.6).

Деление некоторых ядер, например изотопов, близких к ²⁰⁸Pb (золото, таллий, свинец, висмут), является симметричным процессом. При бомбардировке одного из этих элементов дейтронами с энергией 20 МэВ происходит деление с образованием двух дочерних ядер, имеющих почти одинаковые значения Z и N; при этом функции распределения имеют полуширину при максимуме около 15 единиц массового числа. Более тяжелые ядра делятся несимметрично, как показано на рис. 20.18 для ²³⁶U.

Если образец ²³⁵U или ²³⁹Pu, весящий несколько килограммов и имеющий соответствующую форму, например изготовленный в виде полой сферы, очень быстро сжать до меньшего объема, произойдет аутокаталитическое деление ядер, протекающее почти полностью, и при этом выделится энергия в количестве 0,01 Мт на 1 кг делящегося вещества. Обычная атомная бомба (ядерная бомба) содержит несколько килограммов ²³⁵U или ²³⁹Pu и устройство для быстрого сжатия делящегося металла. Каждая из атомных бомб, взорванных над Хиросимой и Нагасаки в августе 1945 г., имела мощность около 0,020 Мт (20 килотонн). Современное ядерное оружие, основанное на использовании только лишь ядерного деления, обладает энергией взрыва 0,001—0,1 Мт.

Процесс синтеза ядер также может сопровождаться высвобождением энергии. Из схемы для энергии связи видно, что при делении очень тяжелых ядер происходит превращение в энергию примерно 0,1% их массы. Еще бóльшие доли массы очень легких ядер превращаются в энергию при их слиянии в более тяжелые ядра. Процесс 4H → He, служащий основным источником энергии солнца, протекает с превращением 0,7% исходной массы в энергию. Аналогичная реакция между дейтроном и тритоном с образованием ядра гелия и нейтрона сопровождается превращением 0,4% массы в энергию

$$^{2}_{1}\mathrm{H} + {}^{3}_{1}\mathrm{H} \longrightarrow {}^{4}_{2}\mathrm{He} + {}^{1}_{0}n$$

Экспериментально было установлено (в 1952 г.), что эти материалы, будучи помещенными в оболочку обычной атомной бомбы, вступают в реакцию, во время которой развивается температура, равная нескольким миллионам градусов. Тритий, однако, оказался неудобным для использования и слишком дорогим (он радиоактивен и неустойчив; период полураспада 12 лет). В 1953 г. было показано, что можно создать бомбу, основанную на делении ядер и их синтезе: для этого следует в оболочку атомной бомбы поместить некоторое количество устойчивого твердого вещества дейтерида лития LiD. Часть реакций, которые при этом протекают, можно записать в следующем виде:

²D + ²D → ³He + n

²D + ²D → ³H + p

n + ⁶Li → ⁴He + ³H

³H + D ← ⁴He + n

p + ⁷Li → ⁴He + ⁴He

Количество энергии, освобождающейся при реакции слияния ядер дейтерида лития, составляет приблизительно 60 Мт на 1 т материала, участвующего в процессе ядерного синтеза, тогда как на 1 т урана, подвергающегося делению, приходится лишь 10 Мт энергии. Самой большой из взорванных ядерных бомб была советская бомба, взорванная в ноябре 1961 г., это была атомно-термоядерная бомба с энергией взрыва около 60 Мт, что примерно в 10 раз превышает общую мощность бомб, взорванных за время второй мировой войны.

В настоящее время стандартным ядерным оружием считаются бомбы, действующие в три стадии: деление ядер, синтез, деление (супербомбы). Обычная 20-мегатонная супербомба (деление — синтез 50 : 50) имеет в качестве материала первой стадии (детонатора) несколько килограммов плутония и обычной взрывчатки для быстрого сжатия плутония. Материал второй стадии — около 150 кг дейтерида лития, заключенного в оболочку из обычного металлического урана (²³⁸U, материала третьей стадии процесса), вес которого превышает 450 кг. Деление ²³⁸U происходит под действием быстрых нейтронов. Общий вес бомбы мощностью 20 Мт составляет приблизительно 1,5 т.

Производство плутония осуществляется при помощи контролируемой цепной реакции. В обычном уране содержится 0,71% изотопа ²³⁵U. Случайный нейтрон, сталкиваясь с одним из таких атомов, вызывает его деление, сопровождающееся освобождением некоторого числа нейтронов. Однако в небольшом куске урана цепная реакция не возникает, поскольку часть нейтронов уходит во внешнюю среду или поглощается содержащимися в металлическом уране примесями, такими как кадмий, ядра которого очень легко соединяются с нейтронами.

Если же взять достаточно большой образец урана, то почти все нейтроны, образовавшиеся при делении, останутся в этом образце и либо вызовут деление других ядер ²³⁵U, либо поглотятся ядрами ²³⁸U, в результате чего последние превратятся в ядра ²³⁹U, которые затем подвергнутся самопроизвольному превращению в ²³⁹Pu. Этот процесс используют на практике для производства плутония. В устройстве, называемом реактором, большое число урановых блоков располагают попеременно со стержнями графита. Первый урановый реактор был построен в Чикагском университете и пущен в ход 2 декабря 1942 г.; для его создания потребовалось 5600 кг металлического урана. На случай аварии были подготовлены кадмиевые стержни, вводимые через отверстия в реактор при необходимости прекращения реакции путем поглощения нейтронов.

Мощные реакторы, введенные в строй в сентябре 1944 г. в Хенфорде (штат Вашингтон, США), имели такие размеры, что обеспечивали течение реакции деления со скоростью, позволяющей получать энергию, соответствующую 1 500 000 кВт.

Значение урановых реакторов как источника радиоактивных материалов можно понять, сравнив масштабы производства этих материалов с имеющимися запасами радия. Со времени открытия радия было выделено из руд и нашло применение главным образом в медицине около 1000 Ки (1000 г) радия. Упоминавшиеся выше Хенфордские реакторы при работе обеспечивают деление приблизительно 5·10²⁰ ядер в секунду, давая около 10·10²⁰ радиоактивных атомов. Концентрация этих радиоактивных атомов возрастает до тех пор, пока они не начинают распадаться с той же скоростью, с какой образуются. Поскольку 1 Ки соответствует 3,70·10¹⁰ распадов атомов в секунду, можно считать, что подобные реакторы создают радиоактивность, приблизительно равную 3·10¹⁰ Ки, т. е. примерно в 30 млн. раз превышающую радиоактивность всего радия, который до настоящего времени был выделен из руд.

Приведенные выше расчеты показывают, какое большое значение имеют делящиеся материалы в качестве источника радиоактивных веществ. Их значение как источника энергии уже было отмечено, когда говорилось о том, что 1 кг урана или тория эквивалентен 2 млн. кг угля.

20.1. В каком десятилетии был открыт электрон? Фотон? Протон? Позитрон? Нейтрон? Мюон? Пион?

20.2. Какие опыты (выполненные Хофштадтером) показывают, что протон и нейтрон не точечные частицы (каковой представляется электрон), а частицы, занимающие некоторый объем в пространстве и кажущиеся состоящими из нескольких других частиц?

20.3. Обсудите принцип сохранения барионного числа на примере данных, полученных Сегрé и др. в эксперименте, выполненном в 1955 г., когда впервые удалось наблюдать антипротон.

20.4. В соответствии с уравнением Эйнштейна E = m·c² масса антипротона соответствует энергии 938 МэВ. Почему для получения антипротона частицы, бомбардирующие ядра, должны обладать кинетической энергией, более чем вдвое превышающей это значение?

20.5. Чем различается поведение альфа-, бета- и гамма-лучей в магнитном поле?

20.6. Каким образом изменяется положение элемента в периодической таблице после испускания его радиоактивным атомом альфа-частицы? Бета-частицы? Гамма-частицы?

20.7. В ряду радиоактивного распада от урана (Z = 92) до свинца (Z = 82) ядро может последовательно испустить семь альфа-частиц. Скольким превращениям с испусканием бета-частицы оно должно подвергнуться?

20.8. В 1914 г. американский химик Т. У. Ричардс сообщил, что химическая атомная масса свинца, полученного из урановой руды, приблизительно на 2 меньше атомной массы свинца, полученного из ториевой руды. Как можно объяснить эту разницу?

20.9. Путем подсчета числа альфа-частиц, испускаемых очень небольшим образцом радия за определенный промежуток времени, было установлено, что это соответствует 3,70×10¹⁰ распадов в секунду в расчете на 1 г металлического радия. К какому значению периода полураспада приводят эти данные?

20.10. Ядро $^{40}_{20}\mathrm{Ca}_{20}$ описывается как дважды магическое. Какие оболочки орбиталей заняты парами протонов (с противоположными спинами) и парами нейтронов в этом ядре?

20.11. Американский химик У. Д. Харкинс в 1920 г. воспользовался значениями химических атомных масс легких элементов с четными атомными номерами (вплоть до Z = 16, сера) для подтверждения своего заключения о том, что ядра этих элементов состоят из альфа-частиц. Воспроизведите его доводы. Учтите, что в то время было известно лишь очень немного изотопов.

20.12. Харкинс высказал также предположение, что нейтрон, частица с массой 1 и нулевым электрическим зарядом, существует как составная часть ядра. На основании значения химической атомной массы какого легкого элемента пришел ученый к этому выводу?

20.13. Харкинс полагал, что ${}^{2}_{1}\mathrm{H}_{1}$ (протон плюс нейтрон) и ${}^{3}_{1}\mathrm{H}_{2}$ (протон плюс два нейтрона) присутствуют в некоторых ядрах. Атомные массы каких легких элементов позволили ученому сделать такой вывод?

20.14. На основании данных, приведенных на рис. 20.11, получите приближенное значение изменения энергии связи на 1 нуклон, сопровождающее деление ядра с A, приблизительно равным 240, и проверьте утверждение, высказанное в разд. 20.22, согласно которому при делении ядер высвобождается около 20·10¹² Дж на 1 моль.