Искусственная радиоактивность Цепная реакция деления ядер урана.

Мартин-Генрих КЛАПРОТ (1.XII I. 1817) Немецкий химик, член Берлинской Академии наук (с 1788 г.), иностранный почетный член Петербургской АН (с 1805 г.). Родился в Вернигероде. С 1810 г. профессор Берлинского университета. Основные работы относятся к неорганической и аналитической химии. Открыл уран и цирконий (1789 г.), титан (1795 г.). Независимо от И. Я. Берцелиуса и шведского химика В. Г. Хизингера открыл (1803 г.) церий. Изучал соединения стронция (1793 г.), хрома (1797 г.), теллура (1798 г.). Повторил (1792 г.) на заседании Берлинской АН главнейшие опыты Лавуазье, чем способствовал признанию его воззрений в Германии. Установил, что в железных метеоритах постоянным спутником железа является никель. Изучая лейциты, обнаружил, что они содержат калий; тем самым показал впервые, что калий встречается не только в растениях, но и в минералах. Открыл (1798 г.) явление полиморфизма, установив, что минералы кальцит и арагонит имеют одинаковый химический состав - СаСО3. Работы Клапрота были изданы под общим названием "К химическому познанию минеральных тел" (т. 1-5, ).

Как Уран (U) стал Ураном Трудно сказать, какое имя дал бы немецкий ученый Мартин Клапрот открытому в 1789 году элементу, если бы за несколько лет до этого не произошло событие, взволновавшее все круги общества. В 1781 году английский астроном Вильям Гершель, наблюдая с помощью самодельного телескопа звезд- ное небо, обнаружил светящееся облачко, которое он поначалу принял за комету, но в дальнейшем убедился, что видит новую, неизвестную дотоле седьмую планету солнечной системы. В честь древнегреческого бога неба Гершель назвал ее Ураном. Находившийся под впечатлением этого события, Клапрот дал новорожденному элементу имя новой планеты. Так и появился элемент УРАН ( U ).

ПЕЛИГО (Peligot) Эжен Мелькьор ( ), Французский химик. Получил (1841) уран в металлическом состоянии.

Анри МУАССАН (28.IX II.1907) Французский химик, член Парижской АН (с 1891 г.) Родился в Париже.В гг. Муассан - профессор Высшей фармацевтической школы в Париже, а с 1900 г. - Сорбонны. Основные исследования относятся к неорганической химии. В 1886 году впервые получил фтор в свободном состоянии, использовал при этом электролитический метод. Впервые синтезировал гидриды ряда металлов. Электротермическим путем получил в чистом виде молибден (1895), уран (1896), вольфрам (1897) и другие тугоплавкие металлы. Анри Муассан - автор фундаментального труда "Курс минеральной химии" в 5 томах ( гг.), Президент Французского химического общества (1896, 1902), иностранный член Петербургской АН (с 1904 г.). Лауреат Нобелевской премии (1906 г.).

Отто Ган (8.III.1879–28.VII.1968) Немецкий физик и радиохимик. Открыл протактиний (1918). Обнаружил (1921) ядерную изомерию у естественных радиоактивных изотопов. Совместно с Ф. Штрассманом открыл (1939) деления ядер урана под действием нейтронов на два осколка примерно равной массы. Это явилось первым шагом на пути к исследованиям деления тяжелых ядер вообще и к практическому использованию ядерной энергии. Нобелевская премия (1944).

Фриц Штрассман ( – ) Немецкий физик и химик. Директор Института неорганической и ядерной химии в Майнце (1946–70). Совместно с О. Ганом открыл (1939), что при бомбардировке атомов урана (U) нейтронами некоторые ядра расщепляются на две примерно равные части и при этом высвобождается большое количество ядерной энергии.

Лизе Мейтнер ( Австрийский физик и радиохимик, ученица Марии Кюри. Делом жизни Лизе Мейтнер стали исследования радиоактивности и получение радиоактивных химических элементов. В 1917 году совместно с Отто Ганом и одновременно с Ф. Содди и Д. Крэнстоном она открыла радиоактивный элемент протактиний. Известна курьезная история, как в начале 20-х годов ушедшего века корреспондент одной из берлинских газет сообщил своим читателям, что Лиза Мейтнер защитила диссертацию под названием "Проблемы косметической физики" - "космическая физика" была переделана в "косметическую", настолько нереальным казалась сама возможность того, что женщина может заниматься таким сложным и, несомненно, су- губо мужским делом, как исследование космоса. В честь Лизе Мейтнер назван искусственно полученный химический элемент мейтнерий.

В 1939 году немецкими учеными О. Ганом и Ф. Штрассманом было открыто деление ядер урана. Продолжая исследования, начатые Ферми, они установили, что при бомбардировке урана нейтронами возникают элементы средней части периодической системы – радиоактивные изотопы бария (Z = 56), криптона (Z = 36) и др. Уран встречается в природе в виде двух изотопов: 238 U 92 (99,3 %) и 235 U 92 (0,7 %). При бомбардировке нейтронами ядра обоих изотопов могут расщепляться на два осколка. При этом реакция деления 235 U 92 наиболее интенсивно идет на медленных (тепловых) нейтронах, в то время как ядра 238 U 92 вступают в реакцию деления только с быстрыми нейтронами с энергией порядка 1 МэВ.

Основной интерес для ядерной энергетики представляет реакция деления ядра 235 U 92. В настоящее время известны около 100 различных изотопов с массовыми числами примерно от 90 до 145, возникающих при делении этого ядра. Две типичные реакции деления этого ядра имеют вид:

Обратите внимание, что в результате деления ядра, инициированного нейтроном, возникают новые нейтроны, способные вызвать реакции деления других ядер. Продуктами деления ядер урана-235 могут быть и другие изотопы бария, ксенона, стронция, рубидия и т. д. Кинетическая энергия, выделяющаяся при делении одного ядра урана, огромна – порядка 200 МэВ.

Цепная реакция деления При делении ядра урана-235, которое вызвано столкновением с нейтроном, освобождается 2 или 3 нейтрона. При благоприятных условиях эти нейтроны могут попасть в другие ядра урана и вызвать их деление. На этом этапе появятся уже от 4 до 9 нейтронов, способных вызвать новые распады ядер урана и т. д. Такой лавинообразный процесс называется цепной реакцией. Схема развития цепной реакции деления ядер урана представлена на рисунке.

Цепная реакция деления (схема)

Условия протекания цепной реакции Для осуществления цепной реакции необходимо, чтобы так называемый коэффициент размножения нейтронов, характеризующий скорость цепной реакции, был больше единицы. Другими словами, в каждом последующем поколении нейтронов должно быть больше, чем в предыдущем. Коэффициент размножения определяется не только числом нейтронов, образующихся в каждом элементарном акте, но и условиями, в которых протекает реакция – часть нейтронов может поглощаться другими ядрами или выходить из зоны реакции. Нейтроны, освободившиеся при делении ядер урана-235, способны вызвать деление лишь ядер этого же урана, на долю которого в природном уране приходится всего лишь 0,7 %. Такая концентрация оказывается недостаточной для начала цепной реакции. Изотоп также может поглощать нейтроны, но при этом не возникает цепной реакции.

Критическая масса Цепная реакция в уране с повышенным содержа- нием урана-235 может развиваться только тогда, когда масса урана превосходит так называемую критическую массу. В небольших кусках урана большинство нейтронов, не попав ни в одно ядро, вылетают наружу. Для чистого урана-235 критическая масса составляет около 50 кг. Критическую массу урана можно во много раз уменьшить, если использовать так называемые замедлители нейтронов. Дело в том, что нейтроны, рождающиеся при распаде ядер урана, имеют слишком большие скорости, а вероятность захвата медленных нейтронов ядрами урана-235 в сотни раз больше, чем быстрых.

Домашнее задание § 85 Вопросы 1, 2, 3, 4, 5. Знать термины: 1. Осколки деления. 2. Полный энергетический выход реакции деления. 3. Цепная реакция деления. 4. Скорость цепной реакции (коэффициент размножения нейтронов). 5. Критическая масса.