По́діл ядра́ — ядерна реакція, під час якої ядро важкого елемента розпадається на менші ядра, часто виділяючи при цьому гамма-кванти й вільні нейтрони.
Поділ ядра — екзотермічна реакція. Виділене під час поділу тепло набагато перевищує характерні енергії хімічних реакцій. Тому поділ використовують у ядерній енергетиці, а також у військовій справі для створення атомних бомб.
Поділ слід відрізняти від реакцій радіоактивного розпаду, під час яких виділяються гамма-кванти, альфа- і бета-частинки, а маса ядра та його атомний номер змінюються незначно, або зовсім не змінюються. Під час поділу первинне ядро розпадається на великі шматки і, як наслідок, виникають відносно важкі ядра із середини періодичної таблиці.
Причина розпаду ядер Ядер, які мають здатність розпадатися, небагато. Найвідоміші з них — 235U і 239Pu. Це — важкі ядра із великою кількістю протонів. Позитивно заряджені протони відштовхуються один від одного за законом Кулона, і на характерних відстанях для ядра порядку 1 фемтометра це відштовхування дуже сильне. Однак протони утримуються у складі ядра завдяки сильній взаємодії між собою й нейтронами.
Існує кілька факторів які впливають на енергію звʼязку в ядрі: з одного боку, нуклони на поверхні ядра мають навколо себе менше інших нуклонів ніж ті які знаходяться в глибині ядра. Відповідно, чим менше співвідношення площі поверхні ядра до його обʼєму (а воно зростає зі збільшенням радіусу ядра), тим більша середня енергія притягання. Через це зі зростанням кількості нуклонів в ядрі, середня енергія сильної взаємодії – зростає. Проте з іншого боку, сильна взаємодія має дуже малий радіус, на відміну від кулонівського відштовхування – нуклон взаємодіє лише зі своїми найближчими сусідами, але кожен протон відштовхується від кожного іншого протона. Через це зі зростанням кількості протонів в ядрі сили відштовхування зростають необмежено, тоді як притягання має властивість насичення. Третій фактор повʼязаний з принципом заборони Паулі і зменшує енергію звʼязку у ядер з сильним дисбалансом протонів і нейтронів (через це не утворюються стабільні ядра з малою кількістю протонів і великою кількістю нейтронів)nuclear binding energy.
Комбінація цих факторів призводить до того, що енергія звʼязку легких ядер зростає до елемента 26, заліза, після чого кулонівське відштовхування починає зростати швидше ніж ядерне притягання. Через це, середня енергія зв'язку між нуклонами у важких ядер зменшується у порівнянні з ядрами атомів зі середини періодичної таблиці елементів, тобто дефект маси (різниця між сумарною масою окремих нуклонів ядра і цілого ядра) у важких ядер є меншим.
Таким чином, створюється ситуація, коли та сама кількість нуклонів мала б у сукупності меншу енергію, якби вони були згруповані у два ядра з меншими масами, а не в одне важке. Інакше кажучи, стан важкого ядра є збудженим квантовим станом. Збуджені стани не можуть існувати довго, й рано чи пізно відбувається ядерна реакція, коли ядро переходить у стабільніший стан.
Як наслідок, стабільність ядер, важчих за залізо падає зі зростанням кількості протонів у ньому.
Є кілька каналів реакцій розпаду: бета-розпад, альфа-розпад і поділ. Лише в нечисленних ядер поділ має найбільшу ймовірність.
Перебіг реакції
Розпад, викликаний захопленням нейтрона
Експерименти показують: якщо енергія збудження ядра досить велика, то його потенціальна енергія подібна до потенціальної енергії рівномірно зарядженої краплі.деление ядер Тобто, його поведінка після влучання нейтрона з достатньою для розпаду енергією подібна до розділення краплі води на дві: ядро починає сильно деформуватися, перетворюючись на еліпсоїд, витягатися, утворюючи тонку шийку з двома «кулями» на кінцях («гантелю»), після чого шийка розривається, і два уламки грушоподібної форми розлітаються, розігнані кулонівськими силами. Після відокремлення ядра-уламки повертаються до сферичної форми.Деление ядер Цей процес супроводжується миттєвим (менш ніж за 4·10−14 секунди) «випаровуванням» нейтронів, які забирають із собою надлишок потенціальної енергії, а також випроміненням гамма-квантів. Нейтрони, що вилітають з ядра одразу, називають миттєвими. Енергетичний спектр таких нейтронів неперервний із максимумом приблизно на 1 МеВ. Їх середня кінетична енергія складає 2 МеВ. У середньому, під час кожного поділу ядра випромінюється 2-3 нейтрони (2,47 для урану-235, 3,57 для каліфорнію-252).
Важким ядрам характерна більша частка нейтронів у ядрі, тому утворені ядра часто мають значний надлишок нейтронів. Тому невдовзі після поділу вони зазнають кількох бета-розпадів, які можуть супроводжуватися випромінюванням нейтронів. Такі нейтрони називають запізнілими. Їх кількість становить ~1 % від усіх нейтронів, що виділяються під час реакцій поділу.
Ймовірність поділу ядра через захоплення нейтрона значною мірою залежить від ймовірності захопити нейтрон (але завжди менша від неї, тому що, захопивши нейтрон, ядро може позбутися зайвої енергії й іншими способами, не розпадаючись), яка, у свою чергу, залежить від його кінетичної енергії. Така залежність є доволі нелінійною, з кількома резонансними піками.
Для невеликих енергій збудження форма потенціального бар'єра складніша, він має кілька горбів, і через це процес поділу теж складніший. Ядро після захоплення нейтрона може, перейшовши через один із горбів бар'єра, залишитися в локальному мінімумі. У цьому стані ядро сильно деформоване, але не може повернутися до сферичного стану, випромінюючи квант, унаслідок малої проникності бар'єра, що відділяє його від цього стану. В такому випадку, ядро може деякий час перебувати в такому стані, а потім тунелювати через тонший бар'єр, що відділяє його від поділеного стану. Ці відмінності викликані необхідністю враховувати поправки, спричинені оболонковими ефектами.
Продукти поділу наперед визначити неможливо. З більшою або меншою ймовірністю утворюються різні атоми зі середини періодичної таблиці. Багато з них радіоактивні. З часом радіоактивні продукти реакції розпадаються (для основних продуктів поділу, період напіврозпаду становить від кількох годин до кількох років, доволі часто відбувається низка розпадів, перш ніж утворяться стабільні ядраFISSION PRODUCTNUCLEAR DATA ). Внаслідок приблизно рівного поділу утворюються два ядра з масами близько 115 а. о. м., проте зазвичай відбувається нерівний поділ, після якого одне з ядер має масу близько 90 а.о.м., а інше — близько 140 а.о.м. Діаграму розподілу продуктів розпаду за масою наведено на рисунку. Якщо енергію збудження збільшити, ймовірність симетричного розпаду зростає, і розподіл з двогорбого перетворюється на одногорбий. Асиметрія в розпаді ядра також спричинена оболонковими ефектами — ядро намагається поділитися так, щоб якнайбільше ядер були магічними. З цих же причин, важчим ядрам характерне зростання маси легшого уламка, тоді як маса важчого майже не змінюється — бо найімовірнішим варіантом важкого уламка є двічі магічне ядро .
Внаслідок розпаду ядра урану виділяється енергія ~200 МеВ. Частина цієї енергії припадає на кінетичну енергію дочірніх ядер, що розлітаються зі швидкістю, яка становить 3 % від швидкості світла. Внаслідок поділу зазвичай випромінюється кілька нейтронів з енергією близько 2 МеВ кожен (у середньому — 2,47 нейтрона за один поділ).
Передати ядру енергію, достатню для переходу через потенціальний бар'єр, може не тільки нейтрон. Деякі елементи з групи актиноїдів діляться під час фотоядерних реакцій, тобто, реакцій, зініційованих гамма-квантом.
Спонтанний поділ
Спонтанним поділом називають розпад ядра, що не зумовлений ніякими зовнішніми чинниками. Щоб розпастися в такий спосіб, ядро має тунелювати через потенціальний бар'єр, тоді як під час розпаду, зумовленого захопленням нейтрона, енергію для перетинання цього бар'єра приносить захоплена частинка.
Для більшості ядер такий канал розпаду дуже малоймовірний — наприклад, уран-235 розпадається через альфа-розпад з імовірністю в сотні мільйонів разів більшою, ніж спонтанно. Проте зі збільшенням кількості протонів у ядрі, ця ймовірність зростає. Емпіричним критерієм, що дає змогу оцінити її є , де — кількість протонів у ядрі, а — кількість нуклонів у ньому. Розпад ядра енергетично вигідний, а отже, принципово можливий, якщо цей показник більший від 17, а якщо ця величина дорівнює, або більша від 47, то ядро спонтанно розпадається швидше, ніж це можна зареєструвати найкращими сучасними приладами, і ймовірність розпаду саме за цим каналом прямує до одиниці — для таких важких ядер, висота потенціального бар'єра, що не дає ядру розпастися, прямує до нуля.Introductory Nuclear Physics Для урану-235 цей показник дорівнює ~36. Також можна бачити, що зі зростанням ця ймовірність зростає. Таблиця дає уявлення про зростання ймовірності спонтанного поділу зі зростанням заряду ядра:
Ядро ,років ,років Доля спонтанногоподілу, % 235U (1,0 ± 0,3) (7,04 ± 0,01) 7 238U (8,2 ± 0,1) (4,468 ± 0,003) 5,5 239Pu (8 ± 2) (2,411 ± 0,003) 3 240Pu (1,151 ± 0,04) (6,564 ± 0,011) 5.7 246Cm (1,82 ± 0,02) 4760 ± 40 2,62 252Cf 86 ± 1 2,645 ± 0,008 3,09 254Cf 60,7 діб ± 0,2 60,5 діб ± 0,2 99,7
Проте, цей емпіричний критерій не враховує оболонкові ефекти, що підвищують стабільність «магічних» ядер, тому існування важких ядер з можливе (так званий «острів стабільності»).
Деякі метастабільні збуджені ядра спонтанно розпадаються значно швидше (до 20 порядків), ніж звичайні.Спонтанно делящиеся изомеры Це явище пов'язують з тим, що, як показує оболонкова модель ядра, потенціальний бар'єр для поділу ядра має складну форму з кількома локальними мінімумами, що і відповідають за квазістаціонарні стани.Деление атомных ядер
Унаслідок спонтанного розпаду виділяється багато вільних нейтронів, тому саме він запалює ланцюгову реакцію поділу ядер, а отже, є основою усієї сучасної атомної енергетики. Також цей тип поділу має медичне значення: важкі ядра, для яких такий канал не є нехтуваним, наприклад, каліфорній-252 (3,1 % розпадів) використовуються як джерела нейтронів, наприклад, для променевої терапії.
Потрійний поділ Бінарний поділ ядра є найімовірнішим, проте не єдиним. Приблизно у 2-4 випадках на 1000, ядро ділиться на три частини, а 3 рази на 10 000 поділів — на чотири. Такий канал поділу був відкритий у 1940-х роках.Тройное деление ядер
Середня кінетична енергія уламків при потрійному розпаді менша за енергію при подвійному поділі. Так само як і подвійний, потрійний поділ ядра може супроводжуватись виділенням вільних нейтронів і гамма-квантів. Найлегше з ядер, що утворюється при потрійному розпаді, найчастіше є альфа-частинкою, проте, його маса може коливатись у діапазоні від водню до вуглецю.Ternary Fission Process Ймовірність потрійного розпаду при спонтанному поділі на 25 % більша, ніж при поділі, викликаному захопленням нейтрона.
Хоча ймовірність потрійного поділу доволі мала, він є основним джерелом утворення тритію у ядерних реакторах,Discovery That Nuclear Fission Produces Tritium через що регулярно виникає необхідність в їх очищені.
Механізми потрійного поділу є подібними до механізмів подвійного, але на останньому етапі поділу відбувається фрагментація перетяжки між двома уламками ядра що ділиться.
Ланцюгова реакція