Деление и синтез ядер
Деление ядер — процесс, при котором из одного атомного ядра возникают два (реже три) ядра-осколка, близких по массе.
Этот процесс выгоден для всех 
-стабильных ядер с массовым числом 
.
Деление ядер урана было обнаружено в 1939 г. О. Ганом и Ф. Штрасманом, которые однозначно доказали, что при бомбардировке нейтронами ядер урана 
появляются радиоактивные ядра с массами и зарядами, примерно в два раза меньшими, чем масса и заряд ядра . В том же году Л. Мейтнер и О. Фриш ввели термин «деление ядер» и отметили, что при этом выделяется огромная энергия, а Ф. Жолио-Кюри и Э. Ферми одновременно обнаружили, что при делении происходит испускание нескольких нейтронов (нейтроны деления). На основании этого была выдвинута идея самоподдерживающейся цепной реакции деления и использования деления ядер в качестве источника энергии. Основой современной ядерной энергетики служит деление ядер 
и 
под действием нейтронов.
Деление ядра возможно благодаря тому, что масса покоя тяжёлого ядра больше суммы масс покоя осколков, возникающих при делении.
Механизм деления ядра объясняется на основе капельной модели, согласно которой сгусток нуклонов напоминает капельку заряженной жидкости (рис. 182). Ядро удерживают от распада ядерные силы притяжения, большие, чем силы кулоновского отталкивания, действующие между протонами и стремящиеся разорвать ядро.
Ядро 
имеет форму шара. После поглощения нейтрона оно возбуждается и деформируется, приобретая вытянутую форму (рис. 182, б), и растягивается до тех пор, пока силы отталкивания между половинками вытянутого ядра не станут больше сил притяжения, действующих в перешейке (рис. 182, в). После этого ядро разрывается на две части (рис. 182, г). Осколки под действием кулоновских сил отталкивания разлетаются со скоростью, равной 1/30 скорости света.
Испускание нейтронов в процессе деления, о котором говорилось выше, объясняется тем, что относительное число нейтронов (по отношению к числу протонов) в ядре растёт с увеличением атомного номера, и для образовавшихся при делении осколков число нейтронов оказывается большим, чем это допустимо для ядер атомов с меньшими номерами.
Деление обычно происходит на осколки неравной массы. Эти осколки радиоактивны. После серии -распадов в конце концов получаются стабильные ионы.
Кроме вынужденного, описанного выше, существует и спонтанное деление ядер урана, открытое в 1940 г. советскими физиками Г. Н. Флёровым и К. А. Петржаком. Период полураспада для спонтанного деления равен 
лет, что в два миллиона раз больше периода полураспада при 
-распаде урана.
Синтез ядер осуществляется в термоядерных реакциях. Термоядерные реакции — это реакции слияния лёгких ядер при очень высокой температуре. Выделяющаяся при слиянии (синтезе) энергия оказывается наибольшей при синтезе лёгких элементов, обладающих минимальной энергией связи. При соединении двух лёгких ядер, например дейтерия и трития, образуется более тяжёлое ядро гелия с большей энергией связи:
При таком процессе ядерного синтеза выделяется значительная энергия (17,6 Мэв), равная разности энергий связи тяжёлого ядра 
и двух лёгких ядер 
. Образующийся при реакциях нейтрон приобретает 70% этой энергии. Сравнение энергии, приходящейся на один нуклон в реакциях ядерного деления (0,9 Мэв) и синтеза (17,6 Мэв), показывает, что реакция синтеза лёгких ядер энергетически более выгодна, чем реакция деления тяжёлых.
Слияние ядер происходит под действием сил ядерного притяжения, поэтому они должны сблизиться до расстояний, меньших 
м, на которых действуют ядерные силы. Этому сближению препятствует кулоновское отталкивание положительно заряженных ядер. Оно может быть преодолено только за счёт большой кинетической энергии ядер, превышающей энергию их кулоновского отталкивания. Соответствующие расчёты показывают, что кинетическая энергия ядер, необходимая для реакции синтеза, может быть достигнута при температурах порядка сотен миллионов градусов, поэтому эти реакции называются термоядерными.
Термоядерный синтез — реакция, в которой при высокой температуре, большей 
, из лёгких ядер синтезируются более тяжёлые.
Термоядерный синтез — источник энергии всех звёзд, в том числе и Солнца.
Основным процессом, при котором происходит освобождение термоядерной энергии в звёздах, является превращение водорода в гелий. За счёт дефекта массы в этой реакции масса Солнца уменьшается каждую секунду на 4 млн тонн.
Большую кинетическую энергию, необходимую для термоядерного синтеза, ядра водорода получают в результате сильного гравитационного притяжения к центру звезды. Затем при слиянии ядер гелия образуются и более тяжёлые элементы.
Термоядерные реакции играют решающую роль в эволюции химического состава вещества во Вселенной. Все эти реакции сопровождаются выделением энергии, излучаемой звездами в виде света на протяжении миллиардов лет.
Осуществление управляемого термоядерного синтеза предоставило бы человечеству новый, практически неисчерпаемый источник энергии. И дейтерий, и тритий, необходимые для его осуществления (4.16), вполне доступны. Первый содержится в воде морей и океанов (в количестве, достаточном для использования в течение миллиона лет), второй может быть получен в ядерном реакторе при облучении жидкого лития (запасы которого огромны) нейтронами:
Одним из важнейших преимуществ управляемого термоядерного синтеза является отсутствие радиоактивных отходов при его осуществлении (в отличие от реакций деления тяжёлых ядер урана).
Главным препятствием на пути осуществления управляемого термоядерного синтеза является невозможность удержания высокотемпературной плазмы с помощью сильных магнитных полей в течение 0,1-1 с. Однако существует уверенность в том, что рано или поздно термоядерные реакторы будут созданы.
Пока же удалось осуществить лишь неуправляемую реакцию синтеза взрывного типа в водородной бомбе.
Эта лекция взята со страницы лекций по всем темам предмета физика:
Возможно эти страницы вам будут полезны:
| Ядерные реакции в физике |
| Законы сохранения заряда, массового числа и энергии в физике |
| Цепные ядерные реакции в физике |
| Система отсчёта в физике |
