Ядроның бөлінуі - бұл үлкен энергияның бөлінуімен бірге ауыр атомның шамамен бірдей массалық екі фрагментке бөлінуі.
Ядролық бөлінудің ашылуы жаңа дәуірді – «атом дәуірін» бастады. Оны пайдаланудың ықтимал әлеуеті және оны пайдаланудан пайда мен тәуекелдің арақатынасы көптеген әлеуметтік, саяси, экономикалық және ғылыми жетістіктерді ғана емес, сонымен бірге күрделі мәселелерді де тудырды. Тіпті таза ғылыми тұрғыдан алғанда, ядролық бөліну процесі көптеген басқатырғыштар мен асқынулар туғызды және оны толық теориялық түсіндіру болашақтың ісі.
Бөлісу пайдалы
Байланыс энергиялары (әр нуклонға) әртүрлі ядролар үшін әртүрлі. Ауырларының байланыс энергиясы периодтық кестенің ортасында орналасқандарына қарағанда төмен.
Бұл атомдық нөмірі 100-ден асатын ауыр ядролардың екі кішірек фрагментке бөлінуден пайда көретінін және осылайша энергияны бөлетінін білдіреді.фрагменттердің кинетикалық энергиясына айналады. Бұл процесс атом ядросының бөлінуі деп аталады.
Тұрақты нуклидтер үшін протондар санының нейтрондар санына тәуелділігін көрсететін тұрақтылық қисығы бойынша ауыр ядролар жеңіліректерге қарағанда көбірек нейтрондарды (протондар санымен салыстырғанда) жақсы көреді. Бұл бөліну процесімен бірге кейбір «қосалқы» нейтрондар шығарылатынын болжайды. Сонымен қатар, олар босатылған энергияның бір бөлігін алады. Уран атомының ядролық бөлінуін зерттеу 3-4 нейтрон бөлетінін көрсетті: 238U → 145La + 90Br + 3n.
Фрагменттің атомдық нөмірі (және атомдық массасы) ата-анасының атомдық массасының жартысына тең емес. Бөліну нәтижесінде түзілген атомдардың массаларының арасындағы айырмашылық әдетте 50-ге жуық болады. Алайда оның себебі әлі толық анықталған жоқ.
238U, 145La және 90Br байланыс энергиялары 1803, тиісінше 1198 және 763 МэВ. Бұл осы реакция нәтижесінде уран ядросының бөліну энергиясы 1198 + 763-1803=158 МэВ-ке тең бөлінетінін білдіреді.
Спонтанды бөліну
Спонтанды бөліну процестері табиғатта белгілі, бірақ олар өте сирек кездеседі. Бұл процестің орташа өмір сүру ұзақтығы шамамен 1017 жылды құрайды және, мысалы, бір радионуклидтің альфа-ыдырауының орташа ұзақтығы шамамен 1011жыл.
Мұның себебі екі бөлікке бөліну үшін ядроныңалдымен эллипсоидты пішінге деформациядан (созылудан) өтеді, содан кейін екі бөлікке соңғы бөлінуден бұрын ортасында «мойын» түзеді.
Әлеуетті кедергі
Деформацияланған күйде ядроға екі күш әсер етеді. Олардың бірі - өскен беттік энергия (сұйық тамшысының беттік керілу оның сфералық пішінін түсіндіреді), екіншісі - бөліну фрагменттері арасындағы кулондық тебілу. Олар бірге әлеуетті кедергі жасайды.
Альфа-ыдырау жағдайындағыдай, уран атомының ядросының өздігінен бөлінуі үшін фрагменттер кванттық туннельдеу арқылы бұл кедергіні еңсеруі керек. Альфа-ыдырау жағдайындағыдай тосқауыл шамамен 6 МэВ, бірақ α-бөлшектің туннельдену ықтималдығы әлдеқайда ауыр атомның бөліну өнімінен әлдеқайда жоғары.
Мәжбүрлі бөлу
Уран ядросының индукцияланған бөлінуі әлдеқайда ықтимал. Бұл жағдайда ата-аналық ядро нейтрондармен сәулеленеді. Егер ата-ана оны сіңірсе, олар байланыстырады, әлеуетті тосқауылдан өту үшін қажетті 6 МэВ-тан асатын діріл энергиясы түріндегі байланыстырушы энергияны босатады.
Қосымша нейтронның энергиясы потенциалдық кедергіні жеңу үшін жеткіліксіз болған жағдайда, атомның бөлінуін индукциялау үшін түскен нейтронның минималды кинетикалық энергиясы болуы керек. 238U жағдайында қосымша байланыс энергиясынейтрондар шамамен 1 МэВ жетіспейді. Бұл уран ядросының ыдырауын тек кинетикалық энергиясы 1 МэВ-тан асатын нейтрон ғана индукциялайды дегенді білдіреді. Екінші жағынан, 235U изотопында бір жұпталмаған нейтрон бар. Ядро қосымшаны жұтқанда онымен жұп түзеді де, осы жұптасу нәтижесінде қосымша байланыс энергиясы пайда болады. Бұл ядроның потенциалды тосқауылдан өтуі үшін қажетті энергия мөлшерін босату үшін жеткілікті және кез келген нейтронмен соқтығысқан кезде изотоптың бөлінуі орын алады.
Бета-ыдырау
Бөліну реакциясы үш немесе төрт нейтрон шығаратынына қарамастан, фрагменттерде олардың тұрақты изобарларына қарағанда нейтрондар көп. Бұл бөліну фрагменттері бета-ыдырауға қарсы әдетте тұрақсыз екенін білдіреді.
Мысалы, уранның бөлінуі орын алғанда 238U, A=145 болатын тұрақты изобар неодим 145Nd, яғни мынаны білдіреді лантан фрагменті 145La тұрақты нуклид пайда болғанға дейін әр жолы электрон және антинейтрино шығаратын үш кезеңде ыдырайды. A=90 болатын тұрақты изобар цирконий 90Zr, сондықтан бөлінетін бром фрагменті 90Br β-ыдырау тізбегінің бес сатысында ыдырайды.
Бұл β-ыдырау тізбектері қосымша энергия бөледі, оның барлығы дерлік электрондар мен антинейтринолармен тасымалданады.
Ядролық реакциялар: уран ядроларының бөлінуі
Нейтронның нуклидтен де тікелей сәулеленуіолардың көп саны ядроның тұрақтылығын қамтамасыз ету екіталай. Мұндағы мәселе кулондық тебілудің жоқтығында, сондықтан беттік энергия нейтронды ата-анамен байланыста ұстауға ұмтылады. Дегенмен, бұл кейде орын алады. Мысалы, бета ыдырауының бірінші сатысындағы 90Br бөліну фрагменті криптон-90 шығарады, ол беттік энергияны жеңу үшін жеткілікті энергиясы бар қозған күйде болуы мүмкін. Бұл жағдайда нейтрондардың эмиссиясы криптон-89 түзілуімен тікелей болуы мүмкін. Бұл изобар тұрақты иттрий-89-ға өзгермейінше, β ыдырауына тұрақсыз, сондықтан криптон-89 үш қадаммен ыдырайды.
Уранның бөлінуі: тізбекті реакция
Бөліну реакциясында шығарылатын нейтрондарды басқа негізгі ядро жұтуы мүмкін, содан кейін оның өзі индукцияланған бөлінуден өтеді. Уран-238 жағдайында түзілетін үш нейтрон 1 МэВ-тан аз энергиямен шығады (уран ядросының ыдырауы кезінде бөлінетін энергия – 158 МэВ – негізінен бөліну фрагменттерінің кинетикалық энергиясына айналады).), сондықтан олар бұл нуклидтің одан әрі ыдырауын тудыруы мүмкін емес. Дегенмен, сирек кездесетін 235U изотопының айтарлықтай концентрациясы кезінде бұл бос нейтрондар 235U ядроларымен ұсталуы мүмкін, бұл шынымен де бөліну тудыруы мүмкін, өйткені бұл жағдайда бөліну индукцияланбайтын энергия шегі жоқ.
Бұл тізбекті реакция принципі.
Ядролық реакциялардың түрлері
К осы тізбектің n сатысында бөлінетін материал үлгісінде өндірілген нейтрондар саны n - 1 сатысында өндірілген нейтрондар санына бөлінген болсын. Бұл сан нейтрондардың қанша шығарылатынына байланысты болады. n - 1 сатысы, күштеп бөлінуі мүмкін ядромен жұтылады.
• Егер k < 1 болса, тізбекті реакция жай сөніп қалады және процесс өте тез тоқтайды. Бұл 235U концентрациясы соншалықты төмен, бұл изотоптың нейтрондардың біреуінің жұтылу ықтималдығы өте болымсыз болатын табиғи уран кенінде дәл осылай болады.
• Егер k > 1 болса, онда тізбекті реакция барлық бөлінетін материал (атом бомбасы) пайдаланылғанша өседі. Бұған уран-235 жеткілікті жоғары концентрациясын алу үшін табиғи кенді байыту арқылы қол жеткізіледі. Сфералық үлгі үшін k мәні сфераның радиусына байланысты нейтронды жұту ықтималдығының жоғарылауымен өседі. Демек, уран ядроларының ыдырауы (тізбекті реакция) болуы үшін U массасы кейбір критикалық массадан асуы керек.
• Егер k=1 болса, бақыланатын реакция орын алады. Бұл ядролық реакторларда қолданылады. Процесс нейтрондардың көп бөлігін сіңіретін (бұл элементтердің нейтрондарды ұстау қабілеті бар) уранның арасында кадмий немесе бор таяқшаларын бөлу арқылы басқарылады. Уран ядросының бөлінуі таяқшаларды жылжыту арқылы автоматты түрде басқарылады, осылайша k мәні бірге тең болады.
