Деление ядер урана. Цепная реакция
Введение
Предыдущие эпохи получили название от различных материалов. Был век каменный, бронзовый, железный. ХХ век можно назвать атомным, так как в нём человечество научилось использовать ядерные технологии. Существуют позитивные примеры использования таких технологий (изобретение ядерного реактора) и негативные (изобретение ядерной бомбы).
Деление ядер урана
В 1938 году немецкими учёными Отто Ганом и Фрицом Штрассманом (см. Рис. 1) было открыто явление деления ядер урана под воздействием медленных нейтронов. Использование именно нейтронов в данном эксперименте обусловлено их электронейтральностью. Отсутствие кулоновского отталкивания от протонов в ядре позволяло нейтронам легко в него проникать.
Нейтрон:
Рис. 1. Немецкие учёные
При попадании нейтрона в ядро урана-235 оно деформируется и принимает вытянутую форму. Так как ядерные силы действуют на крайне малых расстояниях, то они не могут противодействовать электростатическому отталкиванию противоположных частей вытянутого ядра, и оно разрывается на части. При этом излучается 2–3 нейтрона, а осколки, не сильно отличающиеся по массе, разлетаются с огромной скоростью (см. Рис. 2).
Рис. 2. Деление ядра урана-235
Существует несколько возможных результатов деления ядра урана-235:
1. Распад на барий и криптон с выделением трёх нейтронов:
2. Распад на ксенон и стронций с выделением двух нейтронов:
Делением ядра называется ядерная реакция деления тяжёлого ядра, возбуждённого захватом нейтрона, на две приблизительно равные части, называемые осколками деления.
Ядра урана-238 могут делиться лишь под влиянием нейтронов большой энергии (быстрых нейтронов). Такую энергию имеют только 60 % нейтронов, появляющихся при делении ядра урана-238. Примерно только 1 из 5 образовавшихся нейтронов вызывает деление ядра.
Механизм превращения энергии во время деления ядра. Единица измерения энергии
Поскольку масса покоя тяжёлого ядра урана больше суммы масс покоя осколков, образующихся в результате распада, то реакция деления протекает с выделением энергии. Вычислить эту энергию можно по аналогии с энергией связи.
, где
Кулоновские силы, разгоняя осколки ядра, придают им определённую кинетическую энергию. Однако эти осколки тормозятся окружающей средой, преобразуя свою кинетическую энергию во внутреннюю энергию окружающей среды. Таким образом, вследствие деления ядер урана наблюдается колоссальный нагрев всего окружающего пространства. Для примера, при полном делении всех ядер одного грамма урана выделится энергия эквивалентная сгоранию 2,5 т нефти.
Использовать стандартную единицу измерения энергии (Дж) для ядер не совсем удобно, так как энергия одного ядра крайне мала. Для микромира была введена специальная единица измерения – электронвольт.
Один электронвольт равен работе, которую должно совершить поле при перемещении элементарного заряда между разностью потенциалов 1 В.
Цепная ядерная реакция
Любой из нейтронов, вылетающий из ядра, может попасть в соседнее ядро и вызвать излучение им новых нейтронов, которые, в свою очередь, попадут в новые ядра, и те излучат новые нейтроны. В результате получается процесс, который поддерживает сам себя. Такой процесс называется цепной ядерной реакцией.
Цепная ядерная реакция – самоподдерживающаяся реакция деления тяжелых ядер, в которой непрерывно воспроизводятся нейтроны, делящие все новые и новые ядра.
Суть такой реакции заключается в том, что на первом этапе распада выделяется, допустим, N нейтронов, на следующем этапе – 
нейтронов, и т. д. (см. Рис. 3). Количество нейтронов в реакции растёт в геометрической прогрессии. Это приводит к тому, что колоссально растёт выделяемая энергия, которая позволяет реакции поддерживать саму себя.
Возможны различные варианты протекания цепных ядерных реакций, эти процессы позволяет описывать физическая величина, которая называется критическая масса.
Критическая масса (
) – минимальное количество делящегося вещества, необходимое для начала самоподдерживающейся цепной ядерной реакции. Критическая масса известна для различных радиоактивных элементов (для урана-235 она составляет 48 кг).
Рис. 3. Рост числа нейтронов при цепной реакции
В зависимости от массы рассматриваемого образца цепные ядерные реакции делят на следующие формы протекания:
1. Если масса образца меньше критической массы (
), то число нейтронов убывает и реакция затухает.
2. Если масса образца больше критической массы (
), то число нейтронов лавинообразно увеличивается, реакция становится неуправляемой, что приводит к взрыву.
3. Если масса образца соответствует критической, протекает управляемая цепная реакция.