20.22. Поділ ядер і ядерний синтез

Нестабільність важких елементів порівняно з елементами, що мають масові числа порядку 60, як показує крива енергії зв'язку, свідчить про можливість мимовільного розпаду важких елементів на частини приблизно половинного розміру. Такий поділ вдалося здійснити.

Німецькі фізики О. Ган і Ф. Штрасман 6 січня 1939 р. повідомили, що ними виявлено присутність Барію, Лантану, Церію й Криптону в сполуках Урану, які зазнали дії нейтронів. Упродовж наступних двох місяців було опубліковано понад 40 статей з проблеми поділу урану. Прямі калориметричні вимірювання показали, що за такого поділу виділяється дуже велика кількість енергії, яка перевищує 20·10¹² Дж·моль⁻¹. З огляду на те, що кілограм урану містить 4,26 г-атома, повний поділ такої кількості урану (1 кг) або іншого аналогічного важкого елемента призведе до виділення близько 0,8·10¹⁴ Дж. Цю кількість енергії можна порівняти з теплотою, що виділяється під час згоряння 1 кг вугілля, яка становить приблизно 4·10⁷ Дж. Отже, уран як джерело енергії у 2 млн разів цінніший за вугілля.

Уран-235 і Плутоній-239, які можна одержати з Урану-238, можуть зазнавати поділу під дією повільних нейтронів. Ізотоп Торію ²³²Th також зазнає поділу під дією швидких нейтронів, як показав у 1939 р. японський фізик Й. Нісіна.

За одиницю енергії, що вивільняється під час поділу ядер (або під час синтезу ядер, описаного нижче), зазвичай беруть мегатонну (Мт). Одна мегатонна дорівнює 8·10¹⁵ Дж, що відповідає енергії вибуху 1 млн т звичайної вибухової речовини тринітротолуолу (ТНТ). Енергія поділу 100 кг урану або плутонію дорівнює 1 Мт.

Рис. 20.18. Поділ ядра ²³⁵U.

Уран і торій стали важливими джерелами теплоти й енергії. Ці елементи можна добувати у великих кількостях — вміст Урану в земній корі, як установлено, дорівнює 4 млн⁻¹, а вміст Торію 12 млн⁻¹. Поклади цих елементів є в усіх частинах світу.

Реакції поділу можуть бути ланцюговими реакціями. Такі реакції ініціюються нейтронами. Ядро ²³⁵U, наприклад, може сполучитися з нейтроном і дати ²³⁶U. Цей ізотоп нестійкий і зазнає мимовільного поділу на дві частини меншого розміру; протони, що містяться в ядрі ²³⁶U, розподіляються між двома дочірніми ядрами (рис. 20.18). Останні містять більшу частину нейтронів, що первісно належали ядру ²³⁶U. Однак, оскільки відношення нейтронів і протонів більше в важчих ядрах, ніж у ядрах із середньою масою, поділ супроводжується вивільненням кількох вільних нейтронів. Нейтрони, що вивільняються таким чином, можуть потім сполучатися з іншими ядрами ²³⁵U, утворюючи додаткові ядра ²³⁶U, які, у свою чергу, зазнають поділу. Реакції, внаслідок яких утворюються продукти, що спричиняють продовження даної реакції, називаються ланцюговими або автокаталітичними (підрозд. 10.6).

Поділ деяких ядер, наприклад ізотопів, близьких до ²⁰⁸Pb (Аурум, Талій, Плюмбум, Бісмут), є симетричним процесом. Під час бомбардування одного з цих елементів дейтронами з енергією 20 МеВ відбувається поділ з утворенням двох дочірніх ядер, що мають майже однакові значення Z і N; при цьому функції розподілу мають півширину на максимумі близько 15 одиниць масового числа. Важчі ядра діляться несиметрично, як показано на рис. 20.18 для ²³⁶U.

Якщо зразок ²³⁵U або ²³⁹Pu, що важить кілька кілограмів і має відповідну форму, наприклад виготовлений у вигляді порожнистої сфери, дуже швидко стиснути до меншого об'єму, відбудеться автокаталітичний поділ ядер, який протікає майже повністю, і при цьому виділиться енергія в кількості 0,01 Мт на 1 кг речовини, що поділяється. Звичайна атомна бомба (ядерна бомба) містить кілька кілограмів ²³⁵U або ²³⁹Pu і пристрій для швидкого стиснення металу, що поділяється. Кожна з атомних бомб, підірваних над Хіросімою і Нагасакі в серпні 1945 р., мала потужність близько 0,020 Мт (20 кілотонн). Сучасна ядерна зброя, заснована на використанні лише ядерного поділу, має енергію вибуху 0,001—0,1 Мт.

Процес синтезу ядер також може супроводжуватися вивільненням енергії. Зі схеми для енергії зв'язку видно, що під час поділу дуже важких ядер відбувається перетворення на енергію приблизно 0,1% їхньої маси. Ще більші частки маси дуже легких ядер перетворюються на енергію під час їх злиття в важчі ядра. Процес 4H → He, що править за основне джерело енергії Сонця, відбувається з перетворенням 0,7% початкової маси на енергію. Аналогічна реакція між дейтроном і тритоном з утворенням ядра гелію та нейтрона супроводжується перетворенням 0,4% маси на енергію

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

Експериментально було встановлено (в 1952 р.), що ці матеріали, будучи поміщеними в оболонку звичайної атомної бомби, вступають у реакцію, під час якої розвивається температура, що дорівнює кільком мільйонам градусів. Тритій, однак, виявився незручним для використання й надто дорогим (він радіоактивний і нестійкий; період піврозпаду 12 років). У 1953 р. було показано, що можна створити бомбу, засновану на поділі ядер і їх синтезі: для цього слід в оболонку атомної бомби помістити певну кількість стійкої твердої речовини — літій дейтериду LiD. Частину реакцій, які при цьому відбуваються, можна записати в такому вигляді:

²D + ²D → ³He + n

²D + ²D → ³H + p

n + ⁶Li → ⁴He + ³H

³H + D ← ⁴He + n

p + ⁷Li → ⁴He + ⁴He

Кількість енергії, що вивільняється під час реакції злиття ядер літій дейтериду, становить приблизно 60 Мт на 1 т матеріалу, який бере участь у процесі ядерного синтезу, тоді як на 1 т урану, що зазнає поділу, припадає лише 10 Мт енергії. Найбільшою з підірваних ядерних бомб була радянська бомба, підірвана в листопаді 1961 р., це була атомно-термоядерна бомба з енергією вибуху близько 60 Мт, що приблизно в 10 разів перевищує загальну потужність бомб, підірваних за час другої світової війни.

Нині стандартною ядерною зброєю вважаються бомби, що діють у три стадії: поділ ядер, синтез, поділ (супербомби). Звичайна 20-мегатонна супербомба (поділ — синтез 50 : 50) має як матеріал першої стадії (детонатора) кілька кілограмів плутонію та звичайної вибухової речовини для швидкого стиснення плутонію. Матеріал другої стадії — близько 150 кг літій дейтериду, укладеного в оболонку зі звичайного металічного урану (²³⁸U, матеріалу третьої стадії процесу), вага якого перевищує 450 кг. Поділ ²³⁸U відбувається під дією швидких нейтронів. Загальна вага бомби потужністю 20 Мт становить приблизно 1,5 т.

Виробництво плутонію здійснюється за допомогою контрольованої ланцюгової реакції. У звичайному урані міститься 0,71% ізотопу ²³⁵U. Випадковий нейтрон, стикаючись з одним із таких атомів, спричиняє його поділ, що супроводжується вивільненням певного числа нейтронів. Однак у невеликому шматку урану ланцюгова реакція не виникає, оскільки частина нейтронів виходить у зовнішнє середовище або поглинається домішками, що містяться в металічному урані, такими як Кадмій, ядра якого дуже легко сполучаються з нейтронами.

Якщо ж узяти достатньо великий зразок урану, то майже всі нейтрони, що утворилися під час поділу, залишаться в цьому зразку й або спричинять поділ інших ядер ²³⁵U, або будуть поглинуті ядрами ²³⁸U, внаслідок чого останні перетворяться на ядра ²³⁹U, які потім зазнають мимовільного перетворення на ²³⁹Pu. Цей процес використовують на практиці для виробництва плутонію. У пристрої, який називають реактором, велике число уранових блоків розташовують почергово зі стрижнями графіту. Перший урановий реактор було збудовано в Чиказькому університеті й пущено в хід 2 грудня 1942 р.; для його створення знадобилося 5600 кг металічного урану. На випадок аварії було підготовлено кадмієві стрижні, що вводяться через отвори в реактор у разі потреби припинити реакцію шляхом поглинання нейтронів.

Потужні реактори, введені в дію у вересні 1944 р. у Генфорді (штат Вашингтон, США), мали такі розміри, що забезпечували перебіг реакції поділу зі швидкістю, яка дає змогу одержувати енергію, що відповідає 1 500 000 кВт.

Значення уранових реакторів як джерела радіоактивних матеріалів можна зрозуміти, порівнявши масштаби виробництва цих матеріалів з наявними запасами радію. Від часу відкриття радію було виділено з руд і знайшло застосування переважно в медицині близько 1000 Кі (1000 г) радію. Згадані вище генфордські реактори під час роботи забезпечують поділ приблизно 5·10²⁰ ядер за секунду, даючи близько 10·10²⁰ радіоактивних атомів. Концентрація цих радіоактивних атомів зростає доти, доки вони не починають розпадатися з тією самою швидкістю, з якою утворюються. Оскільки 1 Кі відповідає 3,70·10¹⁰ розпадів атомів за секунду, можна вважати, що подібні реактори створюють радіоактивність, приблизно рівну 3·10¹⁰ Кі, тобто приблизно в 30 млн разів більшу за радіоактивність усього радію, який до цього часу було виділено з руд.

Наведені вище розрахунки показують, яке велике значення мають матеріали, що поділяються, як джерело радіоактивних речовин. Їхнє значення як джерела енергії вже було відзначено, коли йшлося про те, що 1 кг урану або торію еквівалентний 2 млн кг вугілля.

20.1. У якому десятилітті було відкрито електрон? Фотон? Протон? Позитрон? Нейтрон? Мюон? Піон?

20.2. Які досліди (виконані Гофштадтером) показують, що протон і нейтрон не точкові частинки (якою видається електрон), а частинки, що займають певний об'єм у просторі й здаються такими, що складаються з кількох інших частинок?

20.3. Обговоріть принцип збереження баріонного числа на прикладі даних, одержаних Сегре та ін. в експерименті, виконаному 1955 р., коли вперше вдалося спостерігати антипротон.

20.4. Відповідно до рівняння Ейнштейна E = m·c² маса антипротона відповідає енергії 938 МеВ. Чому для одержання антипротона частинки, що бомбардують ядра, повинні мати кінетичну енергію, більш ніж удвічі більшу за це значення?

20.5. Чим відрізняється поведінка альфа-, бета- і гамма-променів у магнітному полі?

20.6. Яким чином змінюється положення елемента в періодичній таблиці після випускання його радіоактивним атомом альфа-частинки? Бета-частинки? Гамма-частинки?

20.7. У ряду радіоактивного розпаду від урану (Z = 92) до свинцю (Z = 82) ядро може послідовно випустити сім альфа-частинок. Скільком перетворенням із випусканням бета-частинки воно повинне зазнати?

20.8. У 1914 р. американський хімік Т. В. Річардс повідомив, що хімічна атомна маса свинцю, одержаного з уранової руди, приблизно на 2 менша за атомну масу свинцю, одержаного з торієвої руди. Як можна пояснити цю різницю?

20.9. Шляхом підрахунку числа альфа-частинок, що їх випускає дуже невеликий зразок радію за певний проміжок часу, було встановлено, що це відповідає 3,70×10¹⁰ розпадів за секунду в розрахунку на 1 г металічного радію. До якого значення періоду піврозпаду приводять ці дані?

20.10. Ядро $^{40}_{20}\mathrm{Ca}_{20}$ описується як двічі магічне. Які оболонки орбіталей зайняті парами протонів (з протилежними спінами) і парами нейтронів у цьому ядрі?

20.11. Американський хімік В. Д. Гаркінс у 1920 р. скористався значеннями хімічних атомних мас легких елементів із парними атомними номерами (аж до Z = 16, сірка) для підтвердження свого висновку про те, що ядра цих елементів складаються з альфа-частинок. Відтворіть його доводи. Врахуйте, що на той час було відомо лише дуже мало ізотопів.

20.12. Гаркінс висловив також припущення, що нейтрон, частинка з масою 1 і нульовим електричним зарядом, існує як складова частина ядра. На підставі значення хімічної атомної маси якого легкого елемента дійшов учений цього висновку?

20.13. Гаркінс вважав, що ${}^{2}_{1}\mathrm{H}_{1}$ (протон плюс нейтрон) і ${}^{3}_{1}\mathrm{H}_{2}$ (протон плюс два нейтрони) присутні в деяких ядрах. Атомні маси яких легких елементів дали змогу вченому зробити такий висновок?

20.14. На підставі даних, наведених на рис. 20.11, одержіть наближене значення зміни енергії зв'язку на 1 нуклон, що супроводжує поділ ядра з A, приблизно рівним 240, і перевірте твердження, висловлене в підрозд. 20.22, згідно з яким під час поділу ядер вивільняється близько 20·10¹² Дж на 1 моль.