:::: ИЗОТОПЫ СВОЙСТВА

ИЗОТОПЫ
ИЗОТОПЫ::
СВОЙСТВА
ПОЛУЧЕНИЕ
ПРИМЕНЕНИЕ
Инжечик Лев Владиславович
Кафедра общей физики
inzhechik@stream.ru
Лекция № 11
Экзотические виды радиоактивности
Протонный распад
Наблюдается для нейтронодефицитных ядер, обычно на фоне сильной β+
радиоактивности. Механизм аналогичен альфа распаду — тунелирование
положительно заряженного протона сквозь барьер, формируемый сильным и
электростатическим взаимодействиями.
В 1962 г. Карнауховым В.А. в Дубне
было
обнаружено
испускание
«запаздывающих» протонов.
Наблюдавшийся
протонный
распад задержан на время жизни
родительского ядра, претерпевающего
бета+ распад.
Наблюдается также запаздывающая
двухпротонная радиоактивность.
Лекция № 11
Изотопы: свойства, получение, применение
2
Экзотические виды радиоактивности
Нейтронная радиоактивность
Вылет связанного нейтрона с измеримыми периодами полураспада возможен при
наличии центробежного барьера, т. е. при уносе нейтроном большого орбитального момента l.
Возможен мгновенный (10-23 с) сброс нейтрона нейтроноизбыточным ядром, родившемся в
результате β- распада родительского ядра. Такие нейтроны называются «запаздывающими», т.
к. их рождение задержано на время жизни
родительского ядра, а промежуточное
нейтроноактивное ядро существует очень короткое время и в экспериментах не регистрируется.
Наблюдается также двух- и трехнейтронная
запаздывающая радиоактивность, что существенно для физики ядерных реакторов деления.
Кластерная радиоактивность
Наблюдаются распады с испусканием
ядер тяжелее алфа частицы (4He) и ядра
трития 3H ( 114 Be → 13H + 38 Li). Механизм таких
распадов
аналогичен
альфа
распаду
(тунелирование сквозь кулоновский барьер).
На рисунке показаны зависимости
периодов полураспада кластерных распадов
от проицаемости кулоновского барьера P.
Нижняя прямая описывает альфа распады..
Лекция № 11
Изотопы: свойства, получение, применение
3
Деление тяжелых ядер
История открытия:
1934 г. Э. Ферми изучал искусственную радиоактивность урана после облучения его
нейтронами и обнаружил продукты с несколькими периодами полураспада,
которые идентифицировать не удалось.
1938 г.
О. Ган и Ф. Штрассман экспериментально определили, что в результате
облучения урана нейтронами образуется 56Ba — элемент из середины
периодической таблицы, который значительно легче урана.
1940 г.
Г. Флеров и К. Петржак наблюдали спонтанное деление ядер урана на осколки
средних масс. Для уменьшения фона от вынужденного деления под воздействием
нейтронов, порождаемых космическим излучением, эксперименты проводились
под землей на глубине около 100 м (метро Динамо). По-видимому, это были
первые подземные низкофоновые измерения, которые в наше время являются
одним из направлений экспериментальной физики ядра и элементарных частиц.
A1 + A2 + k
A1
A2
Z1 + Z 2
Z1 1
Z2 2
где Y1,2 — ядра средних масс – осколки деления; k — число вторичных нейтронов
деления; Q — мгновенно выделяемая энергия.
X → Y + Y +k n+Q ,
Спонтанное деление тяжелых ядер:
спонтанное
A
A+1
деление
Вынужденное деление тяжелых ядер:
Z
Z
где A+1X, — ядро, поглотившее нейтрон и претерпевающее после этого спонтанное
деление; после поглощения нейтрона оно может оказаться в возбужденном состоянии.
0
n + X→
Лекция № 11
Изотопы: свойства, получение, применение
X → ... ,
4
Деление тяжелых ядер
A1 + A 2 + k
Z1 + Z2
X→
A1
Z1 1
Y + AZ22 Y2 + k n + Q
Иллюстрация процесса деления
на основе капельной модели ядра:
учитываются поверхностное
натяжение (сильное взаимодействие) и
кулоновское взаимодействие протонов.
Перемычка
Перемычкасостоит
состоитпреимущестпреимущественно
из
нейтронов,
т.
венно из нейтронов, т.к.к.протоны
протоны
концентрируются
на
концах
концентрируются на концах
«гантели»
«гантели»из-за
из-закулоновского
кулоновского
взаимодействия.
взаимодействия.При
Приразрыве
разрыве
перемычки
вылетают
нейтроны
перемычки вылетают нейтроны
A1, 2
Z1, 2
Лекция № 11
β, n
Y1,2 
→ Y3 ,... , e − , νe , n, γ
Изотопы: свойства, получение, применение
5
Механизм деления
тяжелых ядер
Изменение
энергии ядра
в процессе
деления
Форма
потенциала
и энергия
деления в
зависимости
от параметра
деления Z2/A
Мгновенное
Мгновенное
деление
деление
W
Wкулон
кулон++W
Wповерхностного
поверхностного
натяжения
натяжения
Проницаемый
Проницаемый
барьер
барьер
W
Wповерхностного
поверхностного
натяжения
натяжения
Проницаемый
Проницаемый
барьер
барьер
W
Wкулон
кулон
R — расстояние между
осколками деления
(строго определено
при R >> Rя)
Лекция № 11
Непроницаемый
Непроницаемый
барьер
барьер
Изотопы: свойства, получение, применение
6
Кинетическая энергия и спектр масс осколков деления
Кинетическая энергия осколков деления 239Pu
Спектр масс осколков деления 235U
Спектр масс осколков деления 239Pu
Лекция № 11
Изотопы: свойства, получение, применение
7
Свойства ядер по отношению к спонтанному и
вынужденному под действием тепловых нейтронов делению
Возможность цепной реакции деления тяжелых ядер
A1 + A2 + k
Z1 + Z 2
X → ZA11Y1 + ZA22Y2 + k n + Q
Поскольку в реакции деления для ряда тяжелых ядер образуется больше одного
нейтрона, то этот процесс может развиваться по схеме цепной реакции*, и при
благоприятных условиях может приобрести характер взрыва. Действительно, от
момента захвата нейтрона ядром до его деления проходит время порядка 10–8
секунды. Для деления 1 грамм-атома урана (235 г) нужно ≈1024 нейтронов. Если в
одной ступени деления число нейтронов удваивается, то это число нейтронов
возникнет через 10–6 секунды в 80-м поколении. За это время выделится энергия
2⋅1020 эрг, что больше, чем получается при сгорании 700 тонн угля. К сожалению,
именно возможность создания сверхбомбы, а отнюдь не перспектива мирного
применения ядерной энергии послужила стимулом для интенсивных исследований
физики атомного ядра в западной Европе, США и СССР в середине XX века.
*) В химии цепной реакцией называют экзотермическую реакцию, при которой продукты
единичного взаимодействия молекул вызывают более одного такого же акта
взаимодействия других таких же молекул. Этот термин используется и для ядерных
реакций. Общую теорию цепных реакций создал в 1936 г. Н.Н. Семенов (1896-1986, физик
и физхимик, акад. АН СССР – 1932, Ноб. пр. по химии – 1956). В СССР расчеты цепной
реакции деления ядер выполнили в 1939-40 годах Ю.Б. Харитон (1904-1996, физик, акад.
АН СССР – 1953, трижды Герой Соц. Труда – 1949, 51, 53; Лен. пр. – 1856; Стал. пр. – 1949,
51, 53) и Я.Б. Зельдович (1914-1987; физик, акад. АН СССР – 1958; трижды Герой Соц. Труда
– 1949, 51, 53; Лен. пр. – 1957; Стал. пр. – 1949, 51, 53).
Лекция № 11
Изотопы: свойства, получение, применение
9
Выделение энергии при делении урана 235
184 МэВ ≈
выделяется
мгновенно
Лекция № 11
Изотопы: свойства, получение, применение
10
Выделение энергии при делении урана 235
Условие для развития цепной реакции взрывного типа на нейтронах, непосредственно
возникающих при делении, выполняется только для 235U и для нескольких искусственных
изотопов (233U, 239Pu, ...), которые в природе не встречаются, поскольку уже распались за время
существования Земли.
Спектр нейтронов
деления 235U, 233U и 239Pu
Лекция № 11
Изотопы: свойства, получение, применение
11
Реализация ядерной цепной реакции деления тяжелых ядер
.
Первые ядерные заряды США и СССР были изготовлены на основе 235U и 239Pu.
Для того чтобы деление ядер происходило по схеме цепной реакции,
необходимо, чтобы потери нейтронов были малы. Это условие можно выполнить
лишь для массы делящегося изотопа, превышающей пороговое значение,
называемое «критической массой». Критическая масса зависит от концентрации
делящегося изотопа, геометрии реактора и концентрации примесных изотопов,
поглощающих нейтроны.
Для урана высокого обогащения по изотопу 235U (так называемого
«оружейного» урана) минимально возможная величина критической массы имеет
порядок единиц килограммов, что позволяет создавать на его основе
транспортабельные ядерные заряды. Чем ниже степень обогащения, тем больше
критическая масса, необходимая для цепной реакции.
Цепная реакция взрывного типа может быть осуществлена двумя техническими
приемами. В первом — надкритическая масса возникает при быстром соединении
подкритических частей делящегося изотопа. Например, два урановых «снаряда»
подкритической массы при помощи химического взрывчатого вещества
выстреливаются навстречу друг другу. Это бомба «пушечного» типа. 2-й способ
заключается в сильном сжатии подкритического ядерного заряда. Это можно
реализовать с помощью кумулятивной, направленной внутрь ударной волны,
возникающей при симметричном подрыве химической взрывчатки, окружающей
ядерный заряд. Это так называемый вариант «имплозии» (от английского
технического жаргонизма «implosion» — «взрыв внутрь»)
Лекция № 11
Изотопы: свойства, получение, применение
12
Первые ядерные взрывы СССР
29.08.1949 г.
СССР произвел испытание 1-го атомного
устройства с плутониевым зарядом.
21.09.1951 г.
СССР произвел испытание 1-го атомного
устройства с урановым зарядом.
18.10.1951 г.
СССР произвел испытание 1-й атомной бомбы
РДС-1 с плутониевым зарядом.
.
Рис. 13.1.1. Первая советская ядерная бомба РДС-1
имплозивной конструкции с зарядом из 239Pu.
Лекция № 11
Изотопы: свойства, получение, применение
13
Башня высотой 37.5 m, на которой
было установлено ядерной
взрывное устройство при первом
испытании на Семипалатинском
полигоне 29.08.49
Первое ядерное испытание. Начальная стадия взрыва. Мощность взрыва 22 кт
тротилового эквивалента. Семипалатинский полигон. 29.08.49.
Лекция № 11
Изотопы: свойства, получение, применение
14
Семипалатинский полигон для ядерных испытаний
Образован 21 августа 1947 г. Испытания проводились до 29 августа 1992 г.
USSR
Лекция № 11
Изотопы: свойства, получение, применение
15
Лекция № 11
Изотопы: свойства, получение, применение
16