Основные свойства деления

Ципенюк Московский физико-технический институт. Деление атомных ядер Опубликовано вN 6, 1999 г. В истории открытия деления ядер тяжелых элементов, как и в любом другом открытии, множество неожиданных поворотов судьбы и лишь затем понятых закономерностей. После открытия нейтрона в 1932 году во многих научных лабораториях начали изучать процессы их взаимодействия с ядрами. В Италиибомбардируя уран нейтронами, обнаружил возрастание в сотни раз радиоактивности мишени. Но - вот ирония судьбы! И хотя Ида Ноддак еще в 1934 году выдвинула смелую гипотезу о том, что "при бомбардировке тяжелых ядер исследуемое ядро распадается на несколько крупных кусков, которые, несомненно, должны быть изотопами известных элементов, подвергнутых облучению", это заявление Ферми не принял всерьез. В Берлине и в течение нескольких основные свойства деления тоже изучали "трансурановые" элементы Ферми, но и они не обращали внимание на замечание. Интенсивно занялись исследованием последствий нейтронной бомбардировки урана в Париже. Проверить неожиданное сообщение взялись Отто Ган и в Германии. Более точные анализы, проведенные ими, дали совершенно неожиданный результат: при бомбардировке урана нейтронами образуется барий, масса которого вдвое меньше массы урана. Это для них было настолько обескураживающим, что в статье, посвященной проведенным исследованием, они написали: "Как химики, мы должны подтвердить, что это новое вещество является не радием, а барием. Как физики, знакомые со свойствами ядра, мы не можем, однако, решиться на такое утверждение, противоречащее предшествующему опыту ядерной физики". Это событие произошло в конце 1938 года. О результатах своих экспериментов Ган сообщил тотчас же бывшей соратнице Лизе Мейтнер, которая вынуждена была эмигрировать в Швецию, опасаясь преследования за свое неарийское происхождение. Там в результате обсуждений сее племянником, работавшим в Институте Нильса Бора в Копенгагене, родилась опубликованная в феврале 1939 года в журнале "Nature" статья, в которой впервые появилось выражение "деление ядер". Поводом к этому послужило поразительное сходство картины перестройки ядра с процессом деления, которым размножаются бактерии. Сообщение Гана и Штрассмана было встречено вначале недоверчиво, а сами результаты вызывали недоумение. Действительно, до этого экспериментаторы бомбардировали ядра частицами из ускорителей и обнаружили, что для вырывания из ядра одного или двух нуклонов требуется энергия в миллионы электронвольт. Казалось бы, для того чтобы вызвать деление тяжелого ядра, потребуются основные свойства деления миллионов электронвольт, а из результатов Гана и Штрассмана следовало, что для деления ядра урана достаточно сообщить ему энергию в 6 МэВ, которую легко получить добавлением одного нейтрона. Это все равно, что твердый камень раскалывался бы от постукивания карандашом. Через два года после открытия Гана и Штрассмана, в 1940 году, обнаружили, что ядра урана могут делиться самопроизвольно спонтанно. Жидкокапельная модель деления Узнав об открытии деления ядер,находившийся в то время в США, вместе с из Принстонского университета задумались над объяснением этого явления, и через несколько месяцев они опубликовали работу, в которой предложили детальную модель, основные свойства деления объясняющую первоначальные наблюдения. Независимо аналогичные соображения были высказаны тогда же. Капля воды в наинизшей энергетической форме, для создания которой требуется наименьшая энергия, представляет собой сферу. Сообщив ей дополнительную энергию, ее можно сделать вытянутой, но до определенного момента силы поверхностного натяжения будут сохранять каплю как целое. Однако, после того как достигнуто пороговое удлинение, для нее энергетически более выгодно разделиться на две части в самом узком месте перешейка. Две образующиеся капли будут вначале подобны слезе, а затем быстро примут форму, соответствующую минимуму энергии, - станут шарообразными. Энергия деформации при этом переходит в тепло. Внизу показано, что происходит, когда начальной деформации недостаточно для деления и капля возвращается в исходное сферическое состояние. На верхних фотографиях деформация привела каплю к пороговому удлинению, в результате чего в своей самой узкой части она разделилась на две, которые быстро приобрели сферическую форму. Силы, действующие в атомных ядрах, отличаются, конечно, от сил в капле воды. В простейшей модели жидкой капли ядро представляется в виде сферы с электрическим зарядом, равномерно распределенным по всему объему. Когда ядро 235U поглощает нейтрон, приобретенная энергия может пойти либо на возбуждение нуклонов сферического ядра, либо на его деформацию, при которой сами нуклоны остаются невозбужденными. В результате деформации ядро удлиняется вплоть до седловой точки, в которой силы отталкивания между зарядами на концах вытянутого ядра становятся больше, чем притягивающие ядерные силы. При дальнейшей деформации ядро делится на два осколка. Затем деформированные в момент деления осколки приобретают форму сферы, а избыточная энергия уносится нейтронами и гамма-лучами. Модель жидкой капли объясняет, почему тяжелые ядра делятся намного чаще легких: чем больше протонов в ядре, тем больше силы отталкивания между концами деформированного ядра и тем меньше дополнительной энергии требуется для такого процесса. Качественный вид зависимости энергии ядра урана от деформации, как это следует из модели основные свойства деления капли Выше мы обсуждали только вынужденное деление ядер, но, как уже указывалось, тяжелые ядра могут делиться спонтанно, то есть самопроизвольно. Этот процесс является основные свойства деления квантово-механическим. Если изобразить на графике зависимость энергии ядра от его деформации рис. Другими словами, при начальной деформации ядра его энергия повышается, и потому ядру невыгодно становиться деформированным. Силы, действующие в атомных ядрах, отличаются, конечно, от сил в капле воды. В простейшей модели жидкой капли ядро представляется в виде сферы с электрическим зарядом, равномерно распределенным по всему объему. Когда ядро 235U поглощает нейтрон, приобретенная энергия может пойти основные свойства деления на возбуждение нуклонов сферического ядра, либо на его деформацию, при которой сами нуклоны остаются невозбужденными. В результате деформации ядро удлиняется вплоть до седловой точки, в которой силы отталкивания между зарядами на концах вытянутого ядра становятся больше, чем притягивающие ядерные силы. При дальнейшей деформации ядро делится на два осколка. Затем деформированные в момент деления осколки приобретают форму сферы, а избыточная энергия основные свойства деления нейтронами и гамма-лучами. Модель жидкой капли объясняет, почему тяжелые ядра делятся намного чаще легких: чем больше протонов в ядре, тем больше силы отталкивания между концами деформированного ядра и тем меньше дополнительной энергии требуется для такого процесса. Выше мы обсуждали только вынужденное деление ядер, но, как уже указывалось, тяжелые ядра могут делиться спонтанно, то есть самопроизвольно. Этот процесс является чисто квантово-механическим. Если изобразить на графике зависимость энергии ядра от его деформации основные свойства деления. Другими словами, при начальной деформации ядра его энергия повышается, и потому ядру невыгодно становиться деформированным. Однако в квантовой механике процесс туннелирования сквозь барьер возможен. Поэтому и есть конечная вероятность спонтанного деления тяжелых ядер в единицу времени, причем чем выше атомный номер элемента заряд ядратем ниже барьер деления, тем выше вероятность спонтанного деления и тем меньше период спонтанного деления. Трансурановые элементы делятся очень легко, и этим определяется предельная масса стабильных изотопов. У изотопа 235U барьер деления равен примерно 6 МэВ, как раз той энергии, какую вносит медленный нейтрон в ядро, и поэтому столь легко делится этот изотоп при поглощении нейтрона. Процесс деления атомного ядра легко описать на основе жидкокапельной модели. Пусть ядро изменяет свою форму, например из сферического станет эллипсоидальным. Объем ядра не изменяется ядерная материя практически несжимаемано поверхность увеличивается, а кулоновская энергия уменьшается увеличивается среднее расстояние между протонами. Основные свойства деления легко предсказать на основе приведенных выше рассуждений. Основные свойства деления делении тяжелого ядра должна освобождаться большая энергия Q, так как удельная энергия связи в тяжелых ядрах примерно на 0. Образующиеся при делении осколки должны быть -радиоактивными и могут испускать нейтроны. Это следует из того, что по мере увеличения заряда ядра отношение числа нейтронов в ядре к числу протонов увеличивается из-за увеличения кулонов-ской энергии протонов. Кроме того, часть энергии может уноситься в результате непосредственного основные свойства деления нейтронов деления или вторичных нейтронов. Средняя энергия нейтронов деления составляет около 2 МэВ. Среднее число нейтроновиспускаемых за один акт деления, зависит от массового числа делящегося ядра и растет с ростом Основные свойства деления энерговыделение испускание вторичных нейтронов в основные свойства деления деления имеют огромное практическое значение. На процессе деления ядер основана работа ядерных реакторов. Следует отметить, что сейчас в Западной Европе около 50% электроэнергии производится на ядерных электростанциях. Оболочечные эффекты Жидкокапельная модель объясняет многие черты процесса деления, но на стабильность самых тяжелых ядер существенное влияние оказывают обо-лочечные эффекты, причем они определяют не только структуру барьера деления, но и основное основные свойства деления ядра. Известно, основные свойства деления ядра, подобно атомам, имеют обол очечную структуру. Влияние этой структуры важно для всех ядер. Ее роль для самых тяжелых ядер, однако, наиболее существенна, поскольку многие из них просто не существовали бы без влияния оболочечных эффектов. Энергия ядра 240Pu в функции от параметра аксиально-симметричной деформации реально это отношение полуосей. Минимальной энергии соответствует деформированная, а не сферическая форма ядра, второй максимум ответственен за появление квазистанционарных делительных состояний ядра Первая очевидная несостоятельность модели жидкой капли в описании полной картины деления ядер стала видна уже тогда, когда были измерены барьеры деления достаточно широкого круга ядер, нельзя было объяснить, почему величина барьера деления остается постоянной от тория до калифорния. Основные свойства деления модели жидкой капли в этом диапазоне барьер должен был изменятся от 7. Первая успешная попытка была сделана в 1966 году Майерсом икоторые ввели в формулу для энергии ядра оболочечный основные свойства деления, зависящий от деформации. Годом позже существенный шаг был сделан Он указал способ, каким можно рассчитать оболочечную поправку микроскопически. Расчеты по методу Струтинского указали на две существенные особенности в структуре барьера деления тяжелых ядер. Во-первых, стало ясно, что именно за счет оболочечных эффектов ядра актинидов являются деформированными. Во-вторых, из расчетов Струтинского следовало, что барьер деления имеет сложную форму и по крайней мере у ядер урана и плутония барьер деления является двугорбым, как это показано на рис. Теория Струтинского объяснила загадочное основные свойства деления в основные свойства деления, обнаруженное в 1962 году с сотрудниками и названное ими "спонтанно делящиеся изомеры". Это явление состояло в том, что у возбужденного ядра 242Am основным способом распада ядра оказалось спонтанное деление с периодом полураспада 14 мс. В теории Струтинского явление основные свойства деления формы так тоже называют спонтанно делящиеся изомеры, ибо они смоответствуют квазистанционарным основные свойства деления ядра, находящегося при большой деформации нашло естественное и прозрачное объяснение. Полный барьер деления ядра 264108 сплошная линия и его гладкая часть, вычисленная в различных вариантах модели жидкой капли Теоретические расчеты показали, что микроскопическая поправка сильнейшим образом изменяет поверхностную потенциальную энергию, связанную с делением. Для таких ядер, как 260106, имеющий период полураспада относительно спонтанного деления несколько миллисекунд, увеличение времени жизни за счет влияния оболочечной структуры фактически определяет его период полураспада. По сравнению с жидкокапельными предсказаниями его время жизни на 15 порядков величины больше! Рисунок основные свойства деления иллюстрирует, сколь существенны оболочечные эффекты для сверхтяжелых ядер. На этом рисунке показан барьер спонтанного деления ядра 264108 или, другими словам, зависимость энергии основного состояния этих ядер основные свойства деления величины продольной деформации. Полный барьер деления с учетом основные свойства деления поправок показан сплошной линией, а его гладкая часть - штриховой линией и точками вычисления проводились в разных подходах. Видно, что значительная высота около 6 МэВ барьера деления есть результат включения оболочечных эффектов. Основные свойства деления них никакой барьер деления не возникает. Последним природным стабильным ядром, имеющимся на нашей планете, является уран, заряд которого равен 92. Все более тяжелые элементы являются искусственными, они радиоактивны и распались за время существования Земли. Все элементы до 100 были получены за счет облучения ядер нейтронами и последующего -распада, затем синтез новых элементов производился с помощью бомбардировки стабильных изотопов тяжелыми ионами. Отсутствие в природе элементов с числом протонов больше 92 обусловлено их нестабильностью относительно -распада или спонтанного деления. При переходе от тория к фермию период спонтанного деления уменьшается на 30 основные свойства деления Поэтому казалось, что синтез трансфермиевых элементов абсолютно нереален. Именно поэтому предсказания теоретиков на основе вычислений по методу Струтинского вызвали многочисленные попытки экспериментаторов найти сверхтяжелые стабильные элементы. Делались опыты по поиску сверхтяжелых элементов в природе их синтезу методом ядерных реакций. Однако энтузиазм 70-х годов постепенно угас, так как основные свойства деления обоих этих направлениях поиска основные свойства деления результатов не было. Попытка получения сверхтяжелых элементов бомбардировкой, скажем, урана все более тяжелыми ионами, увы, приводила к тому, что образующееся составное ядро имело все более высокую температуру для преодоления кулоновского барьера энергию налетающего иона надо увеличиватьиспарялись нуклоны еще до того, как образовывалось желаемое сверхтяжелое ядро. Но в начале 80-х годов интенсивность исследований в этой области основные свойства деления, и обусловлено это было двумя причинами: теоретики, развивая все более совершенные методы расчета, упорно настаивали на достоверности предсказания о существовании острова стабильности, а основные свойства деления нащупали эффективные методы основные свойства деления. Идея предложенного физиками Дубны метода заключается в том, что получать слабовозбужденные ядра с эмиссией лишь одного или двух нейтронов можно бомбардируя мишень экзотическими ядрами типа 48Са или 34S, у которых намного больше нейтронов, чем у ядер обычных элементов. Тем самым сразу образуется основные свойства деления ядро с необходимым числом нейтронов. Этот метод получил название "холодный синтез". Его суть состоит в использовании как в качестве мишени, так и бомбардирующей частицы ядра с близким к магическим числам числом нейтронов и протонов. Например, при облучении 238U ионами 32S получается слабовозбужденное составное ядро энергия возбуждения порядка 50 МэВпосле испускания из которого четырех или пяти нейтронов образуется ядро с зарядом 108 и числом нейтронов 159 и 160. При столь основные свойства деления небольшой энергии возбуждения повышается стабильность относительно деления и ядро теряет свою энергию преимущественно за счет испускания -квантов и лишь одного или двух нейтронов. Этот метод позволил продвинуться до 110-го элемента, но, увы, сечение реакции холодного синтеза резко уменьшается с ростом заряда ядра. Идентификация новых элементов производится по измерению цепочек их радиоактивных превращений. Изотопы сверхтяжелых элементов распадаются преимущественно за счет -распадов именно потому, что они оказываются по отношению к спонтанному делению намного более стабильными. Хотя остров стабильности пока не основные свойства деления, экспериментаторы четко показали, основные свойства деления уже наблюдается влияние нейтронной оболочки N - 162 на времена полураспада синтезированных ядер. Уже сейчас имеются все основания утверждать, что остров стабильности вокруг сферического сверхтяжелого ядра 294110 существует. Простирающийся от острова основные свойства деления архипелаг проявляется в свойствах 265106, 266106, 261107, 262108, 263109. Контурная карта оболочечных поправок к энергии E sh. Крестиками обозначены самые тяжелые нуклиды, синтезированные до 1996 года На рис. Видно, что зависимость E sh имеет три минимума в рассматриваемой области ядер. Первый, самый глубокий -14. Третий минимум с такой же глубиной, как и второй, получен для основные свойства деленияоно очень близко к ядрупредсказанному в 60-х годах как дважды магическое сферическое ядро, следующее за самым тяжелым существующим в природе дважды магом 208РЬ. Кроме этих трех минимумов на рис. Крестиками на рисунке обозначены самые тяжелые нуклиды, синтезированные к 1996 году. Наиболее тяжелый из них - 277112. Логарифмы периодов полураспада в секундах с вылетом альфа-частиц и спонтанного деления sfвычисленный для различных изотопов элемента 114 Появление области деформированных сверхтяжелых ядер вокруг предсказанного дважды магического ядра 270108 составляет главное за последние годы основные свойства деления наших представлений относительно стабильности самых тяжелых ядер. Прежде длительное время полагали, что предсказанные сферические сверхтяжелые ядра, расположенные вокруг дважды магического ядра 298114, составляют остров стабильности, который отделен от полуострова относительно долгоживущих ядер "морем" полной неустойчивости. Появление деформированных сверхтяжелых ядер позволяет ожидать, что полуостров должен быть продлен до острова сферических сверхтяжелых ядер включительно. Видно, что у самого тяжелого изотопа этого элемента период полураспада определяется -распадом и составляет около 20 с. Таким образом, можно ожидать, что ядра из сверхтяжелой области будут распадаться в основном путем эмиссии -частиц, что важно для экспериментального поиска изучения таких ядер, поскольку делает их идентификацию более надежной. Послесловие В начале 1999 года из Лаборатории ядерных реакций им. Дубна, Объединенный институт ядерных исследований поступило сенсационное сообщение - синтезирован 114-й элемент, принадлежащий острову стабильности. Основные свойства деления ноябре-декабре 1998 года пучком ускоренных на циклотроне ионов основные свойства деления бомбардировалась мишень из 244Ри и образующиеся продукты ядерных реакций после сепаратора направлялись на позиционно-чувствительный детектор. Была обнаружена необычная цепочка распадов: попавшее в детектор тяжелое ядро испытывало последовательно три альфа-распада, а затем в этом же месте было зарегистрировано спонтанное деление дочернего ядра. Вся эта последовательность событий длилась 34 минуты. Все это дает основание считать, что наблюдался распад сверхтяжелого элемента с зарядом 114 основные свойства деления атомным весом 289 число нейтронов основные свойства деления 175. В марте-апреле 1999 года эксперимент был продолжен, на этот раз ядрами 48Са бомбардировалась мишень из 242Ри. Было зарегистрировано два основные свойства деления события - альфа-частица, испускаемая несколько секунд спустя попадания тяжелого продукта ядерной реакции и затем спонтанное деление с периодом полураспада в несколько минут. Таким образом, в этих двух экспериментах было зафиксировано шесть новых тяжелых нейтронноизбыточных нуклидов. Материнские ядра и образовались из составного ядра основные свойства деления налетающего ядра и ядра мишени в результате испарения трех нейтронов испускания гамма-квантов, их времена жизни составляют от единиц до десятков секунд. Дочерними продуктами их альфа-распада являются изотопы 112-го элемента, а они, в свою очередь, спонтанно делятся или в результате альфа-распада переходят в 110-й, а затем в 108-й элементы. Времена жизни этих изотопов оказались равными нескольким минутам, что более чем в 10 6 раз превышает время жизни более легкого известного изотопа 112-го элемента с числом нейтронов 165. Именно этот эффект основные свойства деления теорией, что мы и обсуждали в статье. Таким образом, можно констатировать, что через 35 лет после теоретического предсказания Струтинским остров стабильности экспериментально обнаружен. Принципы и основные свойства деления ядерной физики. Юрий Михайлович Ципенюк, доктор физико-математических наук, профессор кафедры общей физики МФТИ, ведущий научный сотрудник Института физических проблем им. Основные свойства деления научных интересов - физика деления атомных ядер, активационный анализ, нейтронография магнитных веществ, сверхпроводимость. Автор и соавтор 120 основные свойства деления публикаций, учебных пособий по общей физике, соавтор открытия квадрупольного фотоделения четно-четных тяжелых ядер.

Также смотрите:

Комментарии:
  • Анатолий Дильдин

    28.12.2015