यूरेनियम नाभिक का विखंडन। श्रृंखला अभिक्रिया

आइए हम एक भारी नाभिक के विखंडन के दौरान जारी ऊर्जा की मात्रा की गणना करें। (f.2) में नाभिक (f.1) की बाध्यकारी ऊर्जाओं के लिए व्यंजक, A 1 = 240 और Z 1 = 90 मानकर प्रतिस्थापित करें। (f.1) में अंतिम पद की उपेक्षा करने और इसे प्रतिस्थापित करने के कारण मापदंडों के मान 2 और 3 , हम प्राप्त करते हैं

इससे हम पाते हैं कि Z2 /A>17 होने पर विखंडन ऊर्जावान रूप से अनुकूल होता है। Z 2 /A के मान को विभाज्यता पैरामीटर कहा जाता है। विखंडन के दौरान जारी ऊर्जा E, Z 2 /A में वृद्धि के साथ बढ़ती है; Z2 /A = 17 yttrium और zirconium के क्षेत्र में नाभिक के लिए। प्राप्त अनुमानों से यह देखा जा सकता है कि ए> 90 वाले सभी नाभिकों के लिए विखंडन ऊर्जावान रूप से अनुकूल है। सहज विखंडन के संबंध में अधिकांश नाभिक स्थिर क्यों है? इस प्रश्न का उत्तर देने के लिए, आइए देखें कि विखंडन के दौरान नाभिक का आकार कैसे बदलता है।

विखंडन की प्रक्रिया में, नाभिक क्रमिक रूप से गुजरता है निम्नलिखित चरण (चित्र 2): गेंद, दीर्घवृत्त, डम्बल, नाशपाती के आकार के दो टुकड़े, दो गोलाकार टुकड़े। नाभिक की स्थितिज ऊर्जा विखंडन के विभिन्न चरणों में कैसे बदलती है? विखंडन होने के बाद, और टुकड़े एक दूसरे से उनकी त्रिज्या से बहुत अधिक दूरी से अलग हो जाते हैं, उनके बीच कूलम्ब बातचीत द्वारा निर्धारित टुकड़ों की संभावित ऊर्जा को शून्य के बराबर माना जा सकता है।

आइए हम विखंडन के प्रारंभिक चरण पर विचार करें, जब नाभिक बढ़ते हुए r के साथ क्रांति के तेजी से बढ़े हुए दीर्घवृत्त का रूप ले लेता है। विखंडन के इस चरण में, r एक गोलाकार आकृति से नाभिक के विचलन का माप है (चित्र 3)। नाभिक के आकार के विकास के कारण, इसकी संभावित ऊर्जा में परिवर्तन सतह और कूलम्ब ऊर्जा E"n + E"k के योग में परिवर्तन से निर्धारित होता है। यह माना जाता है कि नाभिक का आयतन अपरिवर्तित रहता है विरूपण के दौरान। इस मामले में, सतह ऊर्जा ई "पी बढ़ जाती है, क्योंकि नाभिक के सतह क्षेत्र में वृद्धि होती है। कूलम्ब ऊर्जा ई" के घट जाती है, क्योंकि न्यूक्लियंस के बीच औसत दूरी बढ़ जाती है। चलो गोलाकार कोर, एक छोटे पैरामीटर द्वारा विशेषता एक मामूली विरूपण के परिणामस्वरूप, एक अक्षीय रूप से सममित दीर्घवृत्त का रूप लेते हैं। यह दिखाया जा सकता है कि सतह ऊर्जा ई "पी और कूलम्ब ऊर्जा ई" के परिवर्तन के आधार पर निम्नानुसार है:

छोटे दीर्घवृत्ताकार विकृति के मामले में, सतह ऊर्जा में वृद्धि कूलम्ब ऊर्जा में कमी की तुलना में तेजी से होती है।
भारी नाभिक 2En> Ek के क्षेत्र में, सतह और कूलम्ब ऊर्जा का योग बढ़ने के साथ बढ़ता है। यह (f.4) और (f.5) से पता चलता है कि छोटे दीर्घवृत्ताभ विकृति में, सतह ऊर्जा में वृद्धि नाभिक के आकार में और परिवर्तन को रोकती है, और, परिणामस्वरूप, विखंडन। अभिव्यक्ति (f.5) छोटे मूल्यों (छोटे उपभेदों) के लिए मान्य है। यदि विरूपण इतना अधिक है कि नाभिक एक डम्बल का रूप ले लेता है, तो सतह तनाव बल, कूलम्ब बलों की तरह, नाभिक को अलग करने और टुकड़ों को एक गोलाकार आकार देने की प्रवृत्ति रखते हैं। इस विखंडन स्तर पर, कूलम्ब और सतह ऊर्जा दोनों में कमी के साथ तनाव में वृद्धि होती है। वे। नाभिक के विरूपण में क्रमिक वृद्धि के साथ, इसकी स्थितिज ऊर्जा अधिकतम से गुजरती है। अब r भविष्य के टुकड़ों के केंद्रों के बीच की दूरी का अर्थ है। जैसे-जैसे टुकड़े एक-दूसरे से दूर जाते हैं, उनकी अंतःक्रिया की संभावित ऊर्जा कम होती जाएगी, क्योंकि कूलम्ब प्रतिकर्षण E k की ऊर्जा घटती है। टुकड़ों के बीच की दूरी पर स्थितिज ऊर्जा की निर्भरता अंजीर में दिखाई गई है। 4. स्थितिज ऊर्जा का शून्य स्तर दो गैर-अंतःक्रियात्मक टुकड़ों की सतह और कूलम्ब ऊर्जाओं के योग से मेल खाता है।
एक संभावित अवरोध की उपस्थिति तात्कालिक स्वतःस्फूर्त परमाणु विखंडन को रोकती है। नाभिक को तुरंत विभाजित करने के लिए, इसे ऊर्जा Q दी जानी चाहिए जो बाधा ऊंचाई H से अधिक हो। विखंडनीय नाभिक की अधिकतम संभावित ऊर्जा लगभग बराबर होती है
ई 2 जेड 1 जेड 2 /(आर 1 +आर 2), जहां आर 1 और आर 2 टुकड़ों की त्रिज्या हैं। उदाहरण के लिए, जब एक सोने के नाभिक को दो समान टुकड़ों में विभाजित किया जाता है, e 2 Z 1 Z 2 / (R 1 + R 2) \u003d 173 MeV, और विखंडन () के दौरान जारी ऊर्जा E की मात्रा 132 MeV है। इस प्रकार, सोने के नाभिक के विखंडन के दौरान, लगभग 40 MeV की ऊंचाई के साथ एक संभावित अवरोध को दूर करना आवश्यक है।
बैरियर की ऊँचाई H जितनी अधिक होगी, प्रारंभिक नाभिक में कूलम्ब और सतह ऊर्जा E से /E p का अनुपात उतना ही छोटा होगा। यह अनुपात, बदले में, विभाज्यता पैरामीटर Z 2 /A () में वृद्धि के साथ बढ़ता है। कोर जितना भारी होगा, बैरियर की ऊंचाई उतनी ही कम होगी H , चूंकि विभाज्यता पैरामीटर बढ़ती द्रव्यमान संख्या के साथ बढ़ता है:

वे। ड्रॉप मॉडल के अनुसार, Z 2 /A> 49 के साथ नाभिक प्रकृति में अनुपस्थित होना चाहिए, क्योंकि वे अनायास लगभग तुरंत (10 -22 s के क्रम के एक विशिष्ट परमाणु समय में) विखंडन करते हैं। Z 2 /A> 49 ("स्थिरता का द्वीप") के साथ परमाणु नाभिक के अस्तित्व की संभावना को शेल संरचना द्वारा समझाया गया है। विभाज्यता पैरामीटर Z 2 /А के मान पर आकार की निर्भरता, संभावित अवरोध H की ऊंचाई और विखंडन ऊर्जा E को अंजीर में दिखाया गया है। 5.

Z 2 /A . के साथ नाभिक का स्वतःस्फूर्त विखंडन< 49, для которых высота барьера Н не равна нулю, с точки зрения классической физики невозможно. С точки зрения квантовой механики такое деление возможно в результате прохождения через потенциальный барьер и носит название спонтанного деления. Вероятность спонтанного деления растет с увеличением параметра делимости Z 2 /А, т.е. с уменьшением высоты барьера. В целом период полураспада относительно спонтанного деления уменьшается при переходе от менее тяжелых ядер к более тяжелым от Т 1/2 > 260 आरएफ के लिए 21 एमएस के लिए 21 एमएस तक 232 वें के लिए 10 21 साल। Z 2 /A . के साथ जबरन परमाणु विखंडन < 49 может быть вызвано любыми частицами: фотонами, нейтронами, протонами, дейтронами, -частицами и т.д., если энергия, которую они вносят в ядро, достаточна для преодоления барьера деления.

. विखंडन ऊर्जा

थर्मल न्यूट्रॉन द्वारा 235 U के विखंडन से लगभग 200 MeV की ऊर्जा निकलती है। इनमें से ~167 MeV का हिसाब टुकड़ों की गतिज ऊर्जा से होता है। शेष ऊर्जा विखंडन और रेडियोधर्मी क्षय की प्रक्रिया में उत्पन्न होने वाले विभिन्न कणों के बीच वितरित की जाती है। विखंडन ऊर्जा का एक हिस्सा तत्काल न्यूट्रॉन (तथाकथित तात्कालिक विखंडन किरणों) के प्रस्थान के तुरंत बाद उत्तेजित टुकड़ों द्वारा उत्सर्जित -क्वांटा द्वारा दूर किया जाता है, साथ ही साथ -क्वांटा के परिणामस्वरूप - टुकड़ों का क्षय होता है। विखंडन ऊर्जा का लगभग 5% अंशों के क्षय के दौरान बनने वाले एंटीन्यूट्रिनो द्वारा ले जाया जाता है।
विखंडन ऊर्जा निम्नानुसार वितरित की जाती है

परमाणु विखंडन के दौरान ऊर्जा का विमोचन।अन्य परमाणु प्रतिक्रियाओं की तरह, विखंडन के दौरान निकलने वाली ऊर्जा परस्पर क्रिया करने वाले कणों और अंतिम उत्पादों के द्रव्यमान में अंतर के बराबर होती है। चूंकि यूरेनियम में एक न्यूक्लियॉन की बाध्यकारी ऊर्जा और टुकड़ों में एक न्यूक्लियॉन की बाध्यकारी ऊर्जा, यूरेनियम के विखंडन के दौरान, ऊर्जा जारी की जानी चाहिए

इस प्रकार, नाभिक के विखंडन के दौरान, विशाल ऊर्जा निकलती है, इसका भारी हिस्सा विखंडन के टुकड़ों की गतिज ऊर्जा के रूप में निकलता है।

विखंडन उत्पादों का बड़े पैमाने पर वितरण।ज्यादातर मामलों में यूरेनियम नाभिक असममित रूप से विभाजित होता है। दो परमाणु टुकड़ों में समान रूप से अलग-अलग गति और अलग-अलग द्रव्यमान होते हैं।

टुकड़े अपने द्रव्यमान के अनुसार दो समूहों में आते हैं; एक क्रिप्टन के पास दूसरा क्सीनन के पास। टुकड़ों के द्रव्यमान औसतन एक दूसरे से संबंधित होते हैं क्योंकि ऊर्जा और गति के संरक्षण के नियमों से, यह प्राप्त किया जा सकता है कि टुकड़ों की गतिज ऊर्जा उनके द्रव्यमान के विपरीत आनुपातिक होनी चाहिए :

विखंडन उत्पाद उपज वक्र बिंदु से गुजरने वाली ऊर्ध्वाधर सीधी रेखा के संबंध में सममित है। मैक्सिमा की महत्वपूर्ण चौड़ाई विखंडन पथ की विविधता को इंगित करती है।

चावल। 82. यूरेनियम विखंडन उत्पादों का बड़े पैमाने पर वितरण

सूचीबद्ध विशेषताएं मुख्य रूप से थर्मल न्यूट्रॉन की कार्रवाई के तहत विखंडन को संदर्भित करती हैं; कई या अधिक की ऊर्जा के साथ न्यूट्रॉन की क्रिया के तहत विखंडन के मामले में, नाभिक द्रव्यमान में अधिक सममित दो टुकड़ों में टूट जाता है।

विखंडन उत्पादों के गुण।एक यूरेनियम परमाणु के विखंडन के दौरान, बहुत सारे शेल इलेक्ट्रॉनों को बहाया जाता है, और विखंडन के टुकड़े लगभग-गुना आयनित धनात्मक आयन होते हैं, जो पदार्थ से गुजरते समय, परमाणुओं को दृढ़ता से आयनित करते हैं। इसलिए, हवा में टुकड़ों के पथ छोटे और 2 सेमी के करीब हैं।

यह स्थापित करना आसान है कि विखंडन के दौरान बनने वाले टुकड़े रेडियोधर्मी होने चाहिए, जिनमें न्यूट्रॉन उत्सर्जित होने की संभावना होती है। दरअसल, स्थिर नाभिक के लिए, न्यूट्रॉन और प्रोटॉन की संख्या का अनुपात ए के आधार पर निम्नानुसार भिन्न होता है:

(स्कैन देखें)

विखंडन द्वारा निर्मित नाभिक तालिका के मध्य में स्थित होते हैं और इसलिए उनकी स्थिरता के लिए स्वीकार्य से अधिक न्यूट्रॉन होते हैं। उन्हें क्षय और सीधे न्यूट्रॉन उत्सर्जित करके अतिरिक्त न्यूट्रॉन से मुक्त किया जा सकता है।

विलंबित न्यूट्रॉन।विखंडन के संभावित रूपों में से एक में, रेडियोधर्मी ब्रोमीन बनता है। अंजीर पर। 83 इसके क्षय का आरेख दिखाता है, जिसके अंत में स्थिर समस्थानिक हैं

इस श्रृंखला की एक दिलचस्प विशेषता यह है कि क्रिप्टन को अतिरिक्त न्यूट्रॉन से या तो -क्षय के कारण मुक्त किया जा सकता है, या यदि यह न्यूट्रॉन के प्रत्यक्ष उत्सर्जन के कारण उत्तेजित अवस्था में बनता है। ये न्यूट्रॉन विखंडन के 56 सेकंड बाद दिखाई देते हैं (जीवनकाल एक उत्तेजित अवस्था में संक्रमण के सापेक्ष है, हालांकि यह स्वयं न्यूट्रॉन को लगभग तुरंत उत्सर्जित करता है।

चावल। 83. यूरेनियम के विखंडन के दौरान उत्तेजित अवस्था में बनने वाले रेडियोधर्मी ब्रोमीन के क्षय की योजना

उन्हें विलंबित न्यूट्रॉन कहा जाता है। समय के साथ, विलंबित न्यूट्रॉन की तीव्रता तेजी से घट जाती है, जैसा कि सामान्य रेडियोधर्मी क्षय में होता है।

इन न्यूट्रॉनों की ऊर्जा नाभिक की उत्तेजना ऊर्जा के बराबर होती है। यद्यपि वे विखंडन में उत्सर्जित सभी न्यूट्रॉन का केवल 0.75% बनाते हैं, विलंबित न्यूट्रॉन एक श्रृंखला प्रतिक्रिया के कार्यान्वयन में महत्वपूर्ण भूमिका निभाते हैं।

शीघ्र न्यूट्रॉन। 99% से अधिक न्यूट्रॉन अत्यंत कम समय के भीतर जारी किए जाते हैं; उन्हें शीघ्र न्यूट्रॉन कहा जाता है।

विखंडन प्रक्रिया का अध्ययन करते समय, मौलिक प्रश्न उठता है कि एक विखंडन घटना में कितने न्यूट्रॉन उत्पन्न होते हैं; यह प्रश्न इसलिए महत्वपूर्ण है क्योंकि यदि इनकी संख्या औसतन बड़ी है, तो इनका उपयोग बाद के नाभिकों को विभाजित करने के लिए किया जा सकता है, अर्थात श्रृंखला अभिक्रिया बनाना संभव हो जाता है। 1939-1940 में इस मुद्दे के समाधान पर। दुनिया की लगभग सभी प्रमुख परमाणु प्रयोगशालाओं में काम किया।

चावल। 84. यूरेनियम-235 . के विखंडन से प्राप्त न्यूट्रॉनों का ऊर्जा स्पेक्ट्रम

विखंडन ऊर्जा वितरण।टुकड़ों की ऊर्जा का प्रत्यक्ष माप और अन्य विखंडन उत्पादों द्वारा ली गई ऊर्जा ने निम्नलिखित अनुमानित ऊर्जा वितरण दिया:

1934 में, ई. फर्मी ने 238 U को न्यूट्रॉन से विकिरणित करके ट्रांसयूरेनियम तत्व प्राप्त करने का निर्णय लिया। ई. फर्मी का विचार था कि 239 यू समस्थानिक के β-क्षय के परिणामस्वरूप, क्रमांक Z=93 के साथ एक रासायनिक तत्व का निर्माण होता है। हालांकि, 93वें के गठन की पहचान करना संभव नहीं था तत्व। इसके बजाय, ओ। हैन और एफ। स्ट्रैसमैन द्वारा किए गए रेडियोधर्मी तत्वों के रेडियोकेमिकल विश्लेषण के परिणामस्वरूप, यह दिखाया गया था कि न्यूट्रॉन के साथ यूरेनियम विकिरण के उत्पादों में से एक बेरियम (जेड = 56) है - मध्यम परमाणु भार का एक रासायनिक तत्व जबकि, फर्मी सिद्धांत की मान्यता के अनुसार ट्रांसयूरेनियम तत्वों का उत्पादन किया जाना चाहिए था।
एल. मीटनर और ओ. फ्रिस्क ने सुझाव दिया कि यूरेनियम नाभिक द्वारा न्यूट्रॉन पर कब्जा करने के परिणामस्वरूप, यौगिक नाभिक दो भागों में टूट जाता है

92 यू + एन → 56 बा + 36 कर + एक्सएन।

यूरेनियम विखंडन की प्रक्रिया माध्यमिक न्यूट्रॉन (x> 1) की उपस्थिति के साथ होती है जो अन्य यूरेनियम नाभिक के विखंडन का कारण बन सकती है, जिससे विखंडन श्रृंखला प्रतिक्रिया होने की संभावना खुल जाती है - एक न्यूट्रॉन एक शाखित श्रृंखला को जन्म दे सकता है यूरेनियम के नाभिकों का विखंडन। इस मामले में, अलग किए गए नाभिकों की संख्या में तेजी से वृद्धि होनी चाहिए। एन। बोहर और जे। व्हीलर ने 236 यू नाभिक के लिए आवश्यक महत्वपूर्ण ऊर्जा की गणना की, जो 235 यू आइसोटोप द्वारा न्यूट्रॉन के कब्जा करने के परिणामस्वरूप विभाजित होने के परिणामस्वरूप बनाई गई थी। यह मान 6.2 MeV है, जो 236 यू समस्थानिक की उत्तेजना ऊर्जा से कम है, जो एक थर्मल न्यूट्रॉन 235 यू के कब्जा के दौरान बनता है। इसलिए, जब थर्मल न्यूट्रॉन पर कब्जा कर लिया जाता है, तो 235 यू की एक विखंडन श्रृंखला प्रतिक्रिया संभव है। अधिकांश के लिए सामान्य समस्थानिक 238 U, क्रांतिक ऊर्जा 5.9 MeV है, जबकि जब एक थर्मल न्यूट्रॉन को कैप्चर किया जाता है, तो परिणामी 239 U नाभिक की उत्तेजना ऊर्जा केवल 5.2 MeV होती है। इसलिए, थर्मल न्यूट्रॉन की कार्रवाई के तहत प्रकृति में सबसे आम आइसोटोप 238 यू के विखंडन की श्रृंखला प्रतिक्रिया असंभव है। विखंडन के एक कार्य में, 200 MeV की ऊर्जा निकलती है (तुलना के लिए, रासायनिक दहन प्रतिक्रियाओं में, प्रतिक्रिया के एक कार्य में 10 eV की ऊर्जा निकलती है)। एक विखंडन श्रृंखला प्रतिक्रिया के लिए स्थितियां बनाने की संभावना ने परमाणु रिएक्टर और परमाणु हथियार बनाने के लिए श्रृंखला प्रतिक्रिया की ऊर्जा का उपयोग करने की संभावनाएं खोलीं। पहला परमाणु रिएक्टर 1942 में यूएसए में ई। फर्मी द्वारा बनाया गया था। यूएसएसआर में, 1946 में आई। कुरचटोव के नेतृत्व में पहला परमाणु रिएक्टर लॉन्च किया गया था। 1954 में, ओबनिंस्क में दुनिया के पहले परमाणु ऊर्जा संयंत्र का संचालन शुरू हुआ। वर्तमान में, दुनिया भर के 30 देशों में लगभग 440 परमाणु रिएक्टरों में विद्युत ऊर्जा उत्पन्न होती है।
1940 में, जी। फ्लेरोव और के। पेट्रज़क ने यूरेनियम के सहज विखंडन की खोज की। निम्नलिखित आंकड़े प्रयोग की जटिलता की गवाही देते हैं। 238 यू आइसोटोप के सहज विखंडन के संबंध में आंशिक आधा जीवन 10 16-10 17 वर्ष है, जबकि 238 यू आइसोटोप की क्षय अवधि 4.5∙10 9 वर्ष है। 238 यू आइसोटोप के लिए मुख्य क्षय चैनल α-क्षय है। 238 यू समस्थानिक के सहज विखंडन का निरीक्षण करने के लिए, 10 7-10 8 α-क्षय घटनाओं की पृष्ठभूमि के खिलाफ एक विखंडन घटना को पंजीकृत करना आवश्यक था।
सहज विखंडन की संभावना मुख्य रूप से विखंडन अवरोध की पारगम्यता से निर्धारित होती है। नाभिक के आवेश में वृद्धि के साथ सहज विखंडन की संभावना बढ़ जाती है, क्योंकि। यह विभाजन पैरामीटर Z 2 /A को बढ़ाता है। Z समस्थानिकों में< 92-95 деление происходит преимущественно с образованием двух осколков деления с отношением масс тяжёлого и лёгкого осколков 3:2. В изотопах Z >100, सममितीय विखंडन समान द्रव्यमान के टुकड़ों के निर्माण के साथ प्रबल होता है। जैसे-जैसे नाभिक का आवेश बढ़ता है, α-क्षय की तुलना में स्वतः विखंडन का अनुपात बढ़ता जाता है।

परमाणु विखंडन। कहानी

1934- ई। फर्मी, थर्मल न्यूट्रॉन के साथ यूरेनियम का विकिरण, प्रतिक्रिया उत्पादों के बीच रेडियोधर्मी नाभिक पाया, जिसकी प्रकृति स्थापित नहीं की जा सकी।
एल। स्ज़ीलार्ड ने परमाणु श्रृंखला प्रतिक्रिया के विचार को सामने रखा।

1939- ओ। हैन और एफ। स्ट्रैसमैन ने प्रतिक्रिया उत्पादों के बीच बेरियम की खोज की।
एल. मीटनर और ओ. फ्रिस्क ने पहली बार घोषणा की कि न्यूट्रॉन की क्रिया के तहत, यूरेनियम को द्रव्यमान में तुलनीय दो टुकड़ों में विभाजित किया गया था।
एन. बोहर और जे. व्हीलर ने विखंडन पैरामीटर की शुरुआत करके परमाणु विखंडन की मात्रात्मक व्याख्या दी।
हां। फ्रेंकेल ने धीमी न्यूट्रॉन द्वारा परमाणु विखंडन के ड्रॉप सिद्धांत को विकसित किया।
एल। स्ज़ीलार्ड, ई। विग्नर, ई। फर्मी, जे। व्हीलर, एफ। जोलियट-क्यूरी, हां। ज़ेल्डोविच, यू। खारिटन ​​ने यूरेनियम में होने वाली परमाणु विखंडन श्रृंखला प्रतिक्रिया की संभावना की पुष्टि की।

1940- जी. फ्लेरोव और के. पेट्रझाक ने यू यूरेनियम नाभिक के स्वतःस्फूर्त विखंडन की घटना की खोज की।

1942- ई। फर्मी ने पहले परमाणु रिएक्टर में एक नियंत्रित विखंडन श्रृंखला प्रतिक्रिया की।

1945- परमाणु हथियारों का पहला परीक्षण (नेवादा, यूएसए)। जापानी शहरों हिरोशिमा (6 अगस्त) और नागासाकी (9 अगस्त) पर परमाणु बम गिराए गए।

1946- के नेतृत्व में आई.वी. यूरोप में पहला रिएक्टर कुरचतोव लॉन्च किया गया था।

1954- दुनिया का पहला परमाणु ऊर्जा संयंत्र शुरू किया गया था (ओबनिंस्क, यूएसएसआर)।

परमाणु विखंडन।1934 से, ई. फर्मी ने परमाणुओं पर बमबारी करने के लिए न्यूट्रॉन का उपयोग करना शुरू किया। तब से, कृत्रिम परिवर्तन द्वारा प्राप्त स्थिर या रेडियोधर्मी नाभिक की संख्या कई सैकड़ों तक बढ़ गई है, और आवर्त सारणी में लगभग सभी स्थान आइसोटोप से भर गए हैं।
इन सभी परमाणु प्रतिक्रियाओं में उत्पन्न होने वाले परमाणुओं ने आवर्त सारणी में बमबारी वाले परमाणु या पड़ोसी स्थानों के समान स्थान पर कब्जा कर लिया। इसलिए, 1938 में हैन और स्ट्रैसमैन द्वारा इस तथ्य का प्रमाण कि जब न्यूट्रॉन आवधिक प्रणाली के अंतिम तत्व पर बमबारी करते हैं−यूरेनियम−उन तत्वों में क्षय जो आवर्त प्रणाली के मध्य भागों में हैं। यहां विभिन्न प्रकार के क्षय होते हैं। जो परमाणु उत्पन्न होते हैं वे अधिकतर अस्थिर होते हैं और तुरंत आगे क्षय हो जाते हैं; कुछ का आधा जीवन सेकंड में मापा जाता है, इसलिए हान को इतनी तेज प्रक्रिया को लम्बा करने के लिए विश्लेषणात्मक क्यूरी पद्धति का उपयोग करना पड़ा। यह ध्यान रखना महत्वपूर्ण है कि यूरेनियम, प्रोटैक्टीनियम और थोरियम के सामने के तत्व भी न्यूट्रॉन की क्रिया के तहत समान क्षय दिखाते हैं, हालांकि यूरेनियम के मामले की तुलना में क्षय शुरू होने के लिए उच्च न्यूट्रॉन ऊर्जा की आवश्यकता होती है। इसके साथ ही, 1940 में, G. N. Flerov और K. A. Petrzhak ने यूरेनियम नाभिक के सहज विखंडन की खोज की, जो उस समय तक ज्ञात सबसे लंबे आधे जीवन के साथ था: लगभग 2· 10 15 वर्ष; प्रक्रिया में निकले न्यूट्रॉनों के कारण यह तथ्य स्पष्ट हो जाता है। तो यह समझना संभव था कि "प्राकृतिक" आवधिक प्रणाली तीन नामित तत्वों के साथ क्यों समाप्त होती है। ट्रांसयूरेनियम तत्व अब ज्ञात हैं, लेकिन वे इतने अस्थिर हैं कि वे जल्दी से क्षय हो जाते हैं।
न्यूट्रॉन के माध्यम से यूरेनियम का विखंडन अब परमाणु ऊर्जा का उपयोग करना संभव बनाता है, जिसे पहले से ही "जूल्स वर्ने का सपना" के रूप में कई लोगों द्वारा कल्पना की जा चुकी है।

एम. लाउ, भौतिकी का इतिहास

1939 ओ। हैन और एफ। स्ट्रैसमैन, थर्मल न्यूट्रॉन के साथ यूरेनियम लवण को विकिरणित करते हुए, प्रतिक्रिया उत्पादों बेरियम (जेड = 56) के बीच खोजा गया।

नाभिकीय विखंडन एक समान द्रव्यमान वाले दो (शायद ही कभी तीन) नाभिकों में एक नाभिक का विभाजन होता है, जिसे विखंडन टुकड़े कहा जाता है। विखंडन के दौरान अन्य कण भी उत्पन्न होते हैं - न्यूट्रॉन, इलेक्ट्रॉन, α-कण। विखंडन के परिणामस्वरूप, ~ 200 MeV की ऊर्जा निकलती है। विखंडन अन्य कणों की क्रिया के तहत सहज या मजबूर हो सकता है, सबसे अधिक बार न्यूट्रॉन।
विखंडन की एक विशिष्ट विशेषता यह है कि विखंडन के टुकड़े, एक नियम के रूप में, द्रव्यमान में काफी भिन्न होते हैं, अर्थात, असममित विखंडन प्रबल होता है। इस प्रकार, यूरेनियम समस्थानिक 236 यू के सबसे संभावित विखंडन के मामले में, खंड द्रव्यमान अनुपात 1.46 है। एक भारी टुकड़े की द्रव्यमान संख्या 139 (क्सीनन) होती है, और एक हल्के टुकड़े की द्रव्यमान संख्या 95 (स्ट्रोंटियम) होती है। दो त्वरित न्यूट्रॉन के उत्सर्जन को ध्यान में रखते हुए, माना विखंडन प्रतिक्रिया का रूप है

रसायन विज्ञान में नोबेल पुरस्कार
1944 - ओ। गण।
न्यूट्रॉन द्वारा यूरेनियम नाभिक की विखंडन प्रतिक्रिया की खोज के लिए।

विखंडन शार्ड्स

विखंडनीय नाभिक के द्रव्यमान पर प्रकाश और भारी समूहों के औसत द्रव्यमान की निर्भरता।

परमाणु विखंडन की खोज। 1939

मैं स्वीडन आया, जहां लिस मीटनर अकेलेपन से पीड़ित थे, और एक समर्पित भतीजे के रूप में, मैंने क्रिसमस पर उनसे मिलने का फैसला किया। वह गोथेनबर्ग के पास छोटे से होटल कुंगलव में रहती थी। मैंने उसे नाश्ते पर पकड़ लिया। उसने उस पत्र पर विचार किया जो उसे अभी-अभी हान से मिला था। मुझे पत्र की सामग्री के बारे में बहुत संदेह था, जिसमें न्यूट्रॉन के साथ यूरेनियम को विकिरणित करके बेरियम के गठन की सूचना दी गई थी। हालाँकि, वह इस अवसर से आकर्षित थी। हम बर्फ में चले, वह चली, मैंने स्की की (उसने कहा कि वह मेरे पीछे पड़े बिना ऐसा कर सकती है, और उसने इसे साबित कर दिया)। वॉक के अंत तक हम पहले ही कुछ निष्कर्ष निकाल सकते थे; नाभिक विभाजित नहीं हुआ, और टुकड़े इससे नहीं उड़े, लेकिन यह एक ऐसी प्रक्रिया थी जो बोहर नाभिक के ड्रॉप मॉडल के समान थी; एक बूँद की तरह, केन्द्रक लम्बा और विभाजित हो सकता है। मैंने तब जांच की कि कैसे न्यूक्लियंस का विद्युत आवेश सतह के तनाव को कम करता है, जिसे मैं स्थापित करने में सक्षम था, Z = 100 पर शून्य हो जाता है, और संभवतः यूरेनियम के लिए बहुत कम हो जाता है। Lise Meitner एक बड़े पैमाने पर दोष के कारण प्रत्येक क्षय के दौरान जारी ऊर्जा का निर्धारण करने में लगा हुआ था। उसे द्रव्यमान दोष वक्र का बहुत स्पष्ट विचार था। यह पता चला कि इलेक्ट्रोस्टैटिक प्रतिकर्षण के कारण, विखंडन तत्व लगभग 200 MeV की ऊर्जा प्राप्त करेंगे, और यह सिर्फ एक द्रव्यमान दोष से जुड़ी ऊर्जा के अनुरूप है। इसलिए, प्रक्रिया एक संभावित बाधा से गुजरने की अवधारणा को शामिल किए बिना विशुद्ध रूप से शास्त्रीय रूप से आगे बढ़ सकती है, जो निश्चित रूप से यहां बेकार हो जाएगी।
हमने क्रिसमस पर दो या तीन दिन एक साथ बिताए। फिर मैं कोपेनहेगन लौट आया और बोहर को हमारे विचार के बारे में बताने का समय ही नहीं मिला जब वह पहले से ही यूएसए के लिए स्टीमर में सवार था। मुझे याद है कि जैसे ही मैंने बोलना शुरू किया, उसने अपना माथा कैसे थपथपाया और कहा: "ओह, हम कितने मूर्ख थे! हमें इस पर जल्द ध्यान देना चाहिए था।" लेकिन उसने ध्यान नहीं दिया, और किसी ने ध्यान नहीं दिया।
Lise Meitner और मैंने एक लेख लिखा था। साथ ही, हम लंबी दूरी के टेलीफोन कोपेनहेगन - स्टॉकहोम द्वारा लगातार संपर्क में रहे।

ओ फ्रिस्क, संस्मरण। यूएफएन। 1968. टी. 96, अंक 4, पृ. 697.

स्वतःस्फूर्त परमाणु विखंडन

नीचे वर्णित प्रयोगों में, हमने परमाणु विखंडन की प्रक्रियाओं को रिकॉर्ड करने के लिए पहले फ्रिस्क द्वारा प्रस्तावित विधि का उपयोग किया था। यूरेनियम ऑक्साइड की एक परत के साथ लेपित प्लेटों के साथ एक आयनीकरण कक्ष एक रैखिक एम्पलीफायर से इस तरह से जुड़ा होता है कि यूरेनियम से उत्सर्जित α कण सिस्टम द्वारा पंजीकृत नहीं होते हैं; टुकड़ों से आवेग, जो α-कणों के आवेगों से बहुत बड़े होते हैं, आउटपुट थायराट्रॉन को अनलॉक करते हैं और इसे एक यांत्रिक रिले माना जाता है।
एक आयनीकरण कक्ष को विशेष रूप से एक बहुपरत फ्लैट संधारित्र के रूप में डिजाइन किया गया था जिसका कुल क्षेत्रफल 1000 सेमी की 15 प्लेटों के साथ था। 2 .
अंशों को गिनने के लिए ट्यून किए गए एम्पलीफायर के साथ पहले प्रयोगों में, रिले और ऑसिलोस्कोप पर सहज (न्यूट्रॉन स्रोत की अनुपस्थिति में) दालों का निरीक्षण करना संभव था। इन आवेगों की संख्या छोटी थी (6 प्रति 1 घंटे), और यह काफी समझ में आता है, इसलिए इस घटना को सामान्य प्रकार के कैमरों के साथ नहीं देखा जा सकता है ...
हम सोचते हैं कि हम जो प्रभाव देखते हैं, उसका श्रेय यूरेनियम के स्वतःस्फूर्त विखंडन से उत्पन्न टुकड़ों को दिया जाना चाहिए ...

सहज विखंडन को हमारे परिणामों के मूल्यांकन से प्राप्त आधे जीवन के साथ एक अप्रकाशित यू समस्थानिक के लिए जिम्मेदार ठहराया जाना चाहिए:

यू 238 – 10 16 ~ 10 17 वर्षों,
यू 235 – 10 14 ~ 10 15 वर्षों,
यू 234 – 10 12 ~ 10 13 वर्षों।

आइसोटोप क्षय 238 यू

स्वतःस्फूर्त परमाणु विखंडन

अनायास विखंडनीय समस्थानिकों का आधा जीवन Z = 92 - 100

यूरेनियम-ग्रेफाइट जाली के साथ पहली प्रायोगिक प्रणाली 1941 में ई। फर्मी के निर्देशन में बनाई गई थी। यह 2.5 मीटर लंबी पसली वाला ग्रेफाइट क्यूब था, जिसमें लगभग 7 टन यूरेनियम ऑक्साइड था, जो लोहे के बर्तनों में बंद था, जो एक दूसरे से समान दूरी पर क्यूब में रखे गए थे। यूरेनियम-ग्रेफाइट जाली के तल पर एक राबी न्यूट्रॉन स्रोत रखा गया था। ऐसी प्रणाली में गुणन कारक ≈0.7 था। यूरेनियम ऑक्साइड में 2 से 5% अशुद्धियाँ होती हैं। शुद्ध सामग्री प्राप्त करने की दिशा में और प्रयास किए गए, और मई 1942 तक, यूरेनियम ऑक्साइड प्राप्त किया गया, जिसमें अशुद्धता 1% से कम थी। एक विखंडन श्रृंखला प्रतिक्रिया सुनिश्चित करने के लिए, कई टन के क्रम में बड़ी मात्रा में ग्रेफाइट और यूरेनियम का उपयोग करना आवश्यक था। अशुद्धियों को प्रति मिलियन कुछ भागों से कम होना था। शिकागो विश्वविद्यालय में फर्मी द्वारा 1942 के अंत तक इकट्ठे किए गए रिएक्टर का आकार ऊपर से कटे हुए एक अधूरे गोलाकार आकार का था। इसमें 40 टन यूरेनियम और 385 टन ग्रेफाइट था। 2 दिसंबर, 1942 की शाम को जब न्यूट्रॉन अवशोषक छड़ें हटा दी गईं, तो पता चला कि रिएक्टर के अंदर एक परमाणु श्रृंखला प्रतिक्रिया हो रही थी। मापा गुणांक 1.0006 था। प्रारंभ में, रिएक्टर 0.5 W के शक्ति स्तर पर संचालित होता था। 12 दिसंबर तक इसकी शक्ति को बढ़ाकर 200 वाट कर दिया गया था। इसके बाद, रिएक्टर को सुरक्षित स्थान पर ले जाया गया, और इसकी शक्ति को कई किलोवाट तक बढ़ा दिया गया। इस मामले में, रिएक्टर ने प्रति दिन 0.002 ग्राम यूरेनियम-235 की खपत की।

यूएसएसआर में पहला परमाणु रिएक्टर

यूएसएसआर में पहले एफ-1 अनुसंधान परमाणु रिएक्टर की इमारत जून 1946 तक तैयार हो गई थी।
सभी आवश्यक प्रयोग किए जाने के बाद, रिएक्टर नियंत्रण और सुरक्षा प्रणाली विकसित की गई, रिएक्टर के आयाम स्थापित किए गए, रिएक्टर मॉडल के साथ सभी आवश्यक प्रयोग किए गए, कई मॉडलों पर न्यूट्रॉन घनत्व निर्धारित किया गया, ग्रेफाइट ब्लॉक प्राप्त किए गए (तथाकथित परमाणु शुद्धता) और (न्यूट्रॉन-भौतिक जांच के बाद) यूरेनियम ब्लॉक, नवंबर 1946 में F-1 रिएक्टर का निर्माण शुरू हुआ।
रिएक्टर की कुल त्रिज्या 3.8 मीटर थी। इसमें 400 टन ग्रेफाइट और 45 टन यूरेनियम की आवश्यकता थी। रिएक्टर को परतों में इकट्ठा किया गया था, और 25 दिसंबर, 1946 को दोपहर 3 बजे, अंतिम, 62 वीं परत को इकट्ठा किया गया था। तथाकथित आपातकालीन छड़ों के निष्कर्षण के बाद, नियंत्रण छड़ को हटा दिया गया, न्यूट्रॉन घनत्व की गिनती शुरू हुई, और 25 दिसंबर, 1946 को 18:00 बजे, यूएसएसआर में पहला रिएक्टर जीवन में आया और काम करना शुरू कर दिया। यह वैज्ञानिकों के लिए एक रोमांचक जीत थी - परमाणु रिएक्टर के निर्माता और पूरे सोवियत लोगों के लिए। डेढ़ साल बाद, 10 जून, 1948 को, चैनलों में पानी के साथ औद्योगिक रिएक्टर एक महत्वपूर्ण स्थिति में पहुंच गया और जल्द ही एक नए प्रकार के परमाणु ईंधन - प्लूटोनियम का औद्योगिक उत्पादन शुरू हुआ।

विखंडन के दौरान जारी ऊर्जा E, Z 2/A बढ़ने के साथ बढ़ती है। 89 Y (yttrium) के लिए Z 2 /A = 17 का मान। वे। विखंडन yttrium से भारी सभी नाभिकों के लिए ऊर्जावान रूप से अनुकूल है। अधिकांश नाभिक स्वतःस्फूर्त विखंडन के प्रतिरोधी क्यों होते हैं? इस प्रश्न का उत्तर देने के लिए, विभाजन के तंत्र पर विचार करना आवश्यक है।

विखंडन के दौरान, नाभिक का आकार बदल जाता है। नाभिक क्रमिक रूप से निम्नलिखित चरणों से गुजरता है (चित्र। 7.1): एक गेंद, एक दीर्घवृत्त, एक डम्बल, दो नाशपाती के आकार के टुकड़े, दो गोलाकार टुकड़े। नाभिक की स्थितिज ऊर्जा विखंडन के विभिन्न चरणों में कैसे बदलती है?
आवर्धन के साथ प्रारंभिक कोर आरक्रांति के तेजी से बढ़े हुए दीर्घवृत्त का रूप ले लेता है। इस मामले में, नाभिक के आकार के विकास के कारण, इसकी संभावित ऊर्जा में परिवर्तन सतह और कूलम्ब ऊर्जा ई पी + ई के के योग में परिवर्तन से निर्धारित होता है। इस मामले में, सतह ऊर्जा बढ़ जाती है, चूंकि नाभिक का पृष्ठीय क्षेत्रफल बढ़ता है। जैसे-जैसे प्रोटॉनों के बीच औसत दूरी बढ़ती है, कूलम्ब ऊर्जा घटती जाती है। यदि, एक छोटे से पैरामीटर द्वारा विशेषता एक मामूली विरूपण के साथ, प्रारंभिक कोर एक अक्षीय रूप से सममित दीर्घवृत्त का रूप लेता है, सतह ऊर्जा ई "पी और कूलम्ब ऊर्जा ई" के रूप में विरूपण पैरामीटर परिवर्तन के कार्य निम्नानुसार हैं:

अनुपात में (7.4-7.5) इएन और इ k प्रारंभिक गोलाकार सममित नाभिक की सतह और कूलम्ब ऊर्जाएँ हैं।
भारी नाभिक के क्षेत्र में, 2E n > Ek, और सतह और कूलम्ब ऊर्जाओं का योग बढ़ने के साथ बढ़ता है। यह (7.4) और (7.5) से इस प्रकार है कि, छोटे विकृतियों पर, सतह ऊर्जा में वृद्धि नाभिक के आकार में और परिवर्तन को रोकती है और, परिणामस्वरूप, विखंडन।
संबंध (7.5) छोटे उपभेदों के लिए मान्य है। यदि विरूपण इतना अधिक है कि नाभिक एक डम्बल का रूप ले लेता है, तो सतह और कूलम्ब बल नाभिक को अलग करने और टुकड़ों को एक गोलाकार आकार देने की प्रवृत्ति रखते हैं। इस प्रकार, नाभिक के विरूपण में क्रमिक वृद्धि के साथ, इसकी स्थितिज ऊर्जा अधिकतम से गुजरती है। r के कार्य के रूप में नाभिक की सतह और कूलम्ब ऊर्जाओं का प्लॉट अंजीर में दिखाया गया है। 7.2.

एक संभावित अवरोध की उपस्थिति तात्कालिक स्वतःस्फूर्त परमाणु विखंडन को रोकती है। नाभिक को विभाजित करने के लिए, इसे ऊर्जा Q देने की आवश्यकता है जो विखंडन अवरोध H की ऊंचाई से अधिक है। विखंडनीय नाभिक E + H (उदाहरण के लिए, सोना) की अधिकतम संभावित ऊर्जा दो समान टुकड़ों में है ≈ 173 MeV , और विखंडन के दौरान जारी ऊर्जा E 132 MeV है। इस प्रकार, सोने के नाभिक के विखंडन के दौरान, लगभग 40 MeV की ऊंचाई के साथ एक संभावित अवरोध को दूर करना आवश्यक है।
विखंडन अवरोध H की ऊँचाई जितनी अधिक होगी, प्रारंभिक नाभिक में कूलम्ब और सतह ऊर्जा E से /E p का अनुपात उतना ही छोटा होगा। यह अनुपात, बदले में, विभाजन पैरामीटर Z 2 /A (7.3) में वृद्धि के साथ बढ़ता है। नाभिक जितना भारी होगा, विखंडन बाधा H की ऊंचाई उतनी ही कम होगी, क्योंकि विखंडन पैरामीटर, यह मानते हुए कि Z, A के समानुपाती है, बढ़ती हुई द्रव्यमान संख्या के साथ बढ़ता है:

इसलिए, नाभिकीय विखंडन का कारण बनने के लिए भारी नाभिकों को आम तौर पर कम ऊर्जा की आपूर्ति करने की आवश्यकता होती है।
विखंडन अवरोध की ऊंचाई 2E p - Ec = 0 (7.5) पर गायब हो जाती है। इस मामले में

2ई पी / ई के \u003d 2 (ए 2 ए) / (ए 3 जेड 2),

जेड 2 / ए \u003d 2 ए 2 / (ए 3 जेड 2) 49।

इस प्रकार, ड्रॉप मॉडल के अनुसार, Z 2 /A> 49 वाले नाभिक प्रकृति में मौजूद नहीं हो सकते हैं, क्योंकि उन्हें 10–22 s के क्रम के एक विशिष्ट परमाणु समय में लगभग तुरंत दो टुकड़ों में विभाजित होना चाहिए। संभावित बाधा एच के आकार और ऊंचाई की निर्भरता, साथ ही विखंडन ऊर्जा, पैरामीटर जेड 2 / ए के मूल्य पर अंजीर में दिखाए गए हैं। 7.3.

चावल। 7.3. पैरामीटर Z 2 /A के विभिन्न मूल्यों पर संभावित अवरोध और विखंडन ऊर्जा E के आकार और ऊंचाई की रेडियल निर्भरता। E p + E k का मान ऊर्ध्वाधर अक्ष पर आलेखित किया जाता है।

Z 2 /A . के साथ सहज परमाणु विखंडन< 49, для которых высота барьера H не равна нулю, с точки зрения классической физики невозможно. Однако в квантовой механике такое деление возможно за счет туннельного эффекта – прохождения осколков деления через потенциальный барьер. Оно носит название спонтанного деления. Вероятность спонтанного деления растет с увеличением параметра деления Z 2 /A, т. е. с уменьшением высоты барьера деления. В целом период спонтанного деления уменьшается при переходе от менее тяжелых ядер к более тяжелым от T 1/2 >260 आरएफ के लिए 232 वें से 0.3 एस के लिए 10 21 साल।
Z 2 /A . के साथ जबरन परमाणु विखंडन< 49 может быть вызвано их возбуждением фотонами, нейтронами, протонами, дейтронами, a частицами и другими частицами, если вносимая в ядро энергия достаточна для преодоления барьера деления.
एक न्यूट्रॉन को पकड़ने के दौरान बनने वाले यौगिक नाभिक E* की उत्तेजना ऊर्जा का न्यूनतम मान इस नाभिक में न्यूट्रॉन की बाध्यकारी ऊर्जा के बराबर होता है n । तालिका 7.1 न्यूट्रॉन कैप्चर के बाद बने Th, U, Pu समस्थानिकों के लिए बाधा ऊंचाई H और न्यूट्रॉन बाध्यकारी ऊर्जा ε n की तुलना करती है। न्यूट्रॉन की बाध्यकारी ऊर्जा नाभिक में न्यूट्रॉन की संख्या पर निर्भर करती है। युग्मन ऊर्जा के कारण सम न्यूट्रॉन की बंधन ऊर्जा विषम न्यूट्रॉन की बंधन ऊर्जा से अधिक होती है।

तालिका 7.1

विखंडन बाधा ऊंचाई एच, न्यूट्रॉन बाध्यकारी ऊर्जा n

विखंडन की एक विशिष्ट विशेषता यह है कि टुकड़ों में, एक नियम के रूप में, अलग-अलग द्रव्यमान होते हैं। 235 यू के सबसे संभावित विखंडन के मामले में, टुकड़ा द्रव्यमान अनुपात औसतन ~ 1.5 है। थर्मल न्यूट्रॉन द्वारा 235 यू विखंडन अंशों का द्रव्यमान वितरण अंजीर में दिखाया गया है। 7.4. सबसे संभावित विखंडन के लिए, एक भारी टुकड़े की द्रव्यमान संख्या 139 है, एक हल्का - 95। विखंडन उत्पादों में ए = 72 - 161 और जेड = 30 - 65 के साथ टुकड़े होते हैं। दो टुकड़ों में विखंडन की संभावना बराबर द्रव्यमान शून्य के बराबर नहीं है। थर्मल न्यूट्रॉन द्वारा 235 यू के विखंडन में, सममित विखंडन की संभावना ए = 139 और 95 के साथ टुकड़ों में सबसे संभावित विखंडन के मामले में परिमाण के लगभग तीन क्रम कम है।
असममित विखंडन को नाभिक की खोल संरचना द्वारा समझाया गया है। नाभिक इस तरह विभाजित होता है कि प्रत्येक टुकड़े के नाभिक का मुख्य भाग सबसे स्थिर जादुई कोर बनाता है।
235 U नाभिक N/Z = 1.55 में न्यूट्रॉनों की संख्या और प्रोटॉनों की संख्या का अनुपात, जबकि स्थिर समस्थानिकों के लिए द्रव्यमान संख्या के करीब द्रव्यमान संख्या के साथ, यह अनुपात 1.25 - 1.45 है। नतीजतन, विखंडन के टुकड़े न्यूट्रॉन के साथ अत्यधिक अतिभारित हो जाते हैं और होना चाहिए
β - रेडियोधर्मी। इसलिए, विखंडन के टुकड़े लगातार β - -decays का अनुभव करते हैं, और प्राथमिक टुकड़े का चार्ज 4 - 6 इकाइयों से बदल सकता है। नीचे 97 Kr के रेडियोधर्मी क्षय की एक विशिष्ट श्रृंखला है - 235 U के विखंडन के दौरान बनने वाले टुकड़ों में से एक:

प्रोटॉन और न्यूट्रॉन की संख्या के अनुपात के उल्लंघन के कारण टुकड़ों की उत्तेजना, जो स्थिर नाभिक की विशेषता है, शीघ्र विखंडन न्यूट्रॉन के उत्सर्जन के कारण भी हटा दी जाती है। ये न्यूट्रॉन ~ 10 -14 s से कम समय में टुकड़ों को हिलाने से उत्सर्जित होते हैं। प्रत्येक विखंडन घटना में औसतन 2 - 3 शीघ्र न्यूट्रॉन उत्सर्जित होते हैं। उनका ऊर्जा स्पेक्ट्रम अधिकतम 1 MeV के साथ निरंतर है। एक त्वरित न्यूट्रॉन की औसत ऊर्जा 2 MeV के करीब होती है। प्रत्येक विखंडन घटना में एक से अधिक न्यूट्रॉन का उत्सर्जन परमाणु विखंडन श्रृंखला प्रतिक्रिया के माध्यम से ऊर्जा प्राप्त करना संभव बनाता है।
थर्मल न्यूट्रॉन द्वारा 235 U के सबसे संभावित विखंडन में, एक प्रकाश टुकड़ा (A = 95) 100 MeV की गतिज ऊर्जा प्राप्त करता है, और एक भारी (A = 139) लगभग 67 MeV प्राप्त करता है। इस प्रकार, टुकड़ों की कुल गतिज ऊर्जा 167 MeV है। इस मामले में कुल विखंडन ऊर्जा 200 MeV है। इस प्रकार, शेष ऊर्जा (33 MeV) अन्य विखंडन उत्पादों (बीटा के न्यूट्रॉन, इलेक्ट्रॉनों और एंटीन्यूट्रिनो - टुकड़ों के क्षय, टुकड़ों के γ-विकिरण और उनके क्षय उत्पादों) के बीच वितरित की जाती है। थर्मल न्यूट्रॉन द्वारा 235 U के विखंडन के दौरान विभिन्न उत्पादों के बीच विखंडन ऊर्जा का वितरण तालिका 7.2 में दिया गया है।

तालिका 7.2

विखंडन ऊर्जा वितरण 235 यू थर्मल न्यूट्रॉन

परमाणु विखंडन उत्पाद (एनएफ) 36 तत्वों (जस्ता से गैडोलीनियम तक) के 200 से अधिक रेडियोधर्मी समस्थानिकों का एक जटिल मिश्रण है। अधिकांश गतिविधि अल्पकालिक रेडियोन्यूक्लाइड से बनी होती है। इस प्रकार, विस्फोट के 7, 49 और 343 दिनों के बाद, पीएनडी की गतिविधि विस्फोट के एक घंटे बाद की गतिविधि की तुलना में क्रमशः 10, 100 और 1000 गुना कम हो जाती है। सबसे जैविक रूप से महत्वपूर्ण रेडियोन्यूक्लाइड की उपज तालिका 7.3 में दी गई है। पीएनडी के अलावा, रेडियोधर्मी संदूषण प्रेरित गतिविधि के रेडियोन्यूक्लाइड (3 एच, 14 सी, 28 एएल, 24 ना, 56 एमएन, 59 फे, 60 सह, आदि) और यूरेनियम और प्लूटोनियम के अविभाजित हिस्से के कारण होता है। थर्मोन्यूक्लियर विस्फोटों में प्रेरित गतिविधि की भूमिका विशेष रूप से महान है।

तालिका 7.3

परमाणु विस्फोट में कुछ विखंडन उत्पादों का विमोचन

वायुमंडल में परमाणु विस्फोटों के दौरान, वर्षा का एक महत्वपूर्ण हिस्सा (जमीन विस्फोटों में 50% तक) परीक्षण क्षेत्र के पास पड़ता है। रेडियोधर्मी पदार्थों का एक हिस्सा वायुमंडल के निचले हिस्से में बना रहता है और हवा के प्रभाव में लंबी दूरी तक चलता है, लगभग एक ही अक्षांश पर रहता है। लगभग एक महीने तक हवा में रहने के कारण इस गति के दौरान रेडियोधर्मी पदार्थ धीरे-धीरे पृथ्वी पर गिरते हैं। अधिकांश रेडियोन्यूक्लाइड समताप मंडल (10÷15 किमी की ऊंचाई तक) में छोड़े जाते हैं, जहां वे विश्व स्तर पर फैले हुए हैं और बड़े पैमाने पर क्षय हो जाते हैं।
परमाणु रिएक्टरों के डिजाइन के विभिन्न तत्वों में दशकों से उच्च गतिविधि है (तालिका 7.4)

तालिका 7.4

तीन साल के ऑपरेशन के बाद रिएक्टर से हटाए गए ईंधन तत्वों में मुख्य विखंडन उत्पादों के विशिष्ट गतिविधि मूल्य (बीक्यू / टी यूरेनियम)

1.8. परमाणु विखंडन

1.8.1. भारी नाभिकों की विखंडन प्रतिक्रियाएं। परमाणु विखंडन तंत्र और सक्रियण ऊर्जा। परमाणु विखंडन उत्पादों और विखंडन ऊर्जा की संरचना। विखंडन का प्राथमिक सिद्धांत

परमाणु विखंडन- एक परमाणु प्रतिक्रिया जिसमें दो (शायद ही कभी तीन) खंड नाभिक बनते हैं। इस प्रक्रिया के साथ द्वितीयक न्यूट्रॉन, क्वांटा का उत्सर्जन और महत्वपूर्ण मात्रा में ऊर्जा का उत्सर्जन होता है।

इतिहास संदर्भ। 1938 में, जर्मनी में, ओ। गैन और एफ। स्ट्रैसमैन ने सटीक रेडियोकेमिकल विश्लेषण द्वारा दिखाया कि जब यूरेनियम को न्यूट्रॉन से विकिरणित किया जाता है, तो इसमें बेरियम तत्व बनता है, जो आवर्त सारणी के मध्य में होता है। प्रतिक्रिया की तरह लग रहा था

, (क्यू≈ 200 एमईवी)। (1.82)

30 से अधिक यूरेनियम-235 विखंडन आउटपुट चैनल हैं। फ्रांस में सहयोगियों के साथ एफ। जूलियट-क्यूरी और इटली में सहयोगियों के साथ ई। फर्मी ने आउटपुट चैनल में कई न्यूट्रॉन के उत्सर्जन की खोज की। जर्मनी में ओ. फ्रिस्क और एल. मीटनर ने विखंडन के दौरान जारी ऊर्जा की भारी मात्रा को नोट किया। इसने एक आत्मनिर्भर परमाणु विखंडन प्रतिक्रिया के विचार को आगे बढ़ाने का काम किया। 1940 में रूस में स्वतःस्फूर्त परमाणु विखंडन की भी खोज की गई थी। आधुनिक परमाणु ऊर्जा का आधार न्यूट्रॉन की क्रिया के तहत यूरेनियम और प्लूटोनियम नाभिक का विखंडन है। 1938 में परमाणु युग की शुरुआत हुई।

प्रोटॉन, -क्वांटा, α-कण आदि की क्रिया के तहत परमाणु विखंडन भी हो सकता है। न्यूट्रॉन द्वारा उत्तेजित नाभिक का जबरन विखंडन ( एन, एफ) अन्य प्रक्रियाओं के साथ प्रतिस्पर्धा करता है: विकिरणकारी न्यूट्रॉन कैप्चर के साथ ( एन, γ ), यानी, एक -क्वांटम का उत्सर्जन और एक नाभिक पर न्यूट्रॉन का प्रकीर्णन ( एन, एन).

परमाणु विखंडन की संभावना विखंडन क्रॉस सेक्शन के अनुपात से निर्धारित होती है σ एफकुल न्यूट्रॉन कैप्चर क्रॉस सेक्शन के लिए नाभिक।

समस्थानिक, शून्य से शुरू होकर, सभी ऊर्जाओं के न्यूट्रॉन द्वारा विभाजित होते हैं। इन समस्थानिकों के विखंडन क्रॉस सेक्शन के दौरान, अनुनाद विखंडनीय नाभिक के ऊर्जा स्तरों के अनुरूप दिखाई देते हैं (चित्र 1.13 देखें)।

परमाणु विखंडन तंत्र और सक्रियण ऊर्जा

परमाणु विखंडन की प्रक्रिया को कूलम्ब बलों (फ्रेंकेल हां। एम, बोर एन।, व्हीलर, 1939) की कार्रवाई के तहत एक सजातीय आवेशित तरल ड्रॉप के विभाजन के रूप में समझाया गया है। अलग करने के लिए, नाभिक को एक निश्चित महत्वपूर्ण ऊर्जा प्राप्त करनी चाहिए, जिसे सक्रियण ऊर्जा कहा जाता है। न्यूट्रॉन पर कब्जा करने के बाद, एक मिश्रित उत्तेजित नाभिक बनता है। उत्तेजित नाभिक दोलन करने लगता है। नाभिक का आयतन नहीं बदलता है (परमाणु पदार्थ व्यावहारिक रूप से असम्पीडित होता है), लेकिन नाभिक की सतह बढ़ जाती है। सतह ऊर्जा बढ़ जाती है, इसलिए, सतह तनाव बल कोर को उसकी मूल स्थिति में वापस कर देते हैं। प्रोटॉन के बीच औसत दूरी में वृद्धि के कारण कूलम्ब ऊर्जा निरपेक्ष मान में घट जाती है। कूलम्ब बल नाभिक को तोड़ने की प्रवृत्ति रखते हैं। नाभिक एक गोलाकार आकार से एक दीर्घवृत्त में बदल जाता है, फिर नाभिक का एक चौगुना विरूपण होता है, एक कसना बनता है, नाभिक एक डम्बल में बदल जाता है, जो टूट जाता है, दो टुकड़े बनाता है, और "स्प्लैश" - न्यूट्रॉन की एक जोड़ी।

नाभिक की विखंडन क्षमता की एक विशेषता, कूलम्ब ऊर्जा का सतह ऊर्जा से अनुपात है, जो नाभिक की बाध्यकारी ऊर्जा के लिए अर्ध-अनुभवजन्य सूत्र से लिया गया है।

कहाँ पे - विभाज्यता पैरामीटर.

एक विखंडन पैरामीटर के साथ नाभिक> 17 विखंडन कर सकते हैं, एक महत्वपूर्ण विखंडन पैरामीटर () सीआर = 45 के साथ वे तुरंत विखंडन (सहज परमाणु विखंडन के लिए स्थिति) करते हैं। एक नाभिक को विभाजित करने के लिए, इसे एक ऊर्जा अवरोध को दूर करना होगा जिसे विखंडन अवरोध कहा जाता है। जबरन विखंडन के मामले में, जब एक न्यूट्रॉन पर कब्जा कर लिया जाता है, तो नाभिक को यह ऊर्जा प्राप्त होती है।

विखंडन उत्पादों की संरचना

विखंडन शार्ड्स . परमाणु विखंडन का मुख्य प्रकार दो टुकड़ों में विखंडन है। टुकड़ों को द्रव्यमान द्वारा दो से तीन के अनुपात में विषम रूप से विभाजित किया जाता है। विखंडन उत्पादों की उपज को दिए गए टुकड़े के साथ एक टुकड़ा पैदा करने वाले विखंडनों की संख्या के अनुपात के रूप में परिभाषित किया गया है लेकिनडिवीजनों की पूरी संख्या के लिए। चूंकि प्रत्येक विखंडन में दो नाभिक उत्पन्न होते हैं, सभी द्रव्यमान संख्याओं के लिए प्रति विखंडन की कुल उपज 200% है। नाभिकीय विखंडन के दौरान विखंडन द्रव्यमान वितरण अंजीर में दिखाया गया है। 1.14. यह आंकड़ा थर्मल न्यूट्रॉन द्वारा कुल विखंडन उपज के वितरण के लिए एक विशिष्ट दो-कूबड़ वक्र दिखाता है। अंशों का संवेग चिह्न में बराबर और विपरीत होता है। टुकड़ा वेग ~ 107 मीटर/सेकेंड तक पहुंच जाता है ।

चित्र 1.14। द्रव्यमान संख्या पर थर्मल न्यूट्रॉन की कार्रवाई के तहत यूरेनियम -235 और प्लूटोनियम -239 के विखंडन उत्पादों की पैदावार की निर्भरता लेकिन।

विखंडन न्यूट्रॉन . गठन के समय, मूल नाभिक के टुकड़े दृढ़ता से विकृत होते हैं। विरूपण की अतिरिक्त संभावित ऊर्जा टुकड़ों की उत्तेजना ऊर्जा में बदल जाती है। विखंडन के टुकड़ों में एक बड़ा आवेश होता है और मूल नाभिक की तरह न्यूट्रॉन से समृद्ध होते हैं। वे स्थिर नाभिक में गुजरते हैं, द्वितीयक न्यूट्रॉन और γ-क्वांटा को बाहर निकालते हैं। विखंडन नाभिक के उत्तेजना को न्यूट्रॉन के "वाष्पीकरण" द्वारा हटा दिया जाता है।

शीघ्र विखंडन न्यूट्रॉन 4 10-14 सेकंड से कम समय में उत्तेजित टुकड़ों द्वारा उत्सर्जित न्यूट्रॉन होते हैं। वे आइसोट्रोपिक रूप से टुकड़ों से वाष्पित हो जाते हैं।

पर प्रयोगशाला समन्वय प्रणाली(l.s.c.) विखंडन न्यूट्रॉन के ऊर्जा स्पेक्ट्रम को मैक्सवेलियन वितरण द्वारा अच्छी तरह से वर्णित किया गया है

कहाँ पे इएल में न्यूट्रॉन ऊर्जा है। s.k..gif" width="63 height=46" height="46"> - औसत स्पेक्ट्रम ऊर्जा।

संख्या वीथर्मल न्यूट्रॉन द्वारा विखंडन के प्रति 1 कार्य में द्वितीयक न्यूट्रॉन यूरेनियम -235 . के लिए है वी= 2.43, प्लूटोनियम-239 वी= 2.89। (उदाहरण के लिए, 100 विखंडन घटनाओं के लिए 289 द्वितीयक न्यूट्रॉन एक साथ उत्पन्न होते हैं)।

-क्वांटा . का उत्सर्जन . टुकड़ों से न्यूट्रॉन के "वाष्पीकरण" के बाद, उनके पास अभी भी उत्तेजना ऊर्जा है, जिसे शीघ्र -क्वांटा द्वारा दूर किया जाता है। -क्वांटा के उत्सर्जन की प्रक्रिया न्यूट्रॉन के उत्सर्जन के बाद ~ 10-14 सेकेंड के समय में होती है। प्रति डिवीजन कुल प्रभावी उज्ज्वल ऊर्जा इकुल = 7.5 MeV..gif" चौड़ाई = "67" ऊंचाई = "28 src="> MeV। प्रति डिवीजन γ-क्वांटा की औसत संख्या।

विलंबित न्यूट्रॉन - न्यूट्रॉन जो मूल नाभिक के विखंडन के बाद दिखाई देते हैं (10-2 सेकंड से 102 सेकंड तक)। विलंबित न्यूट्रॉनों की संख्या< 1% от полного количества нейтронов деления. Механизм испускания связан с β - प्रकार के विखंडन के टुकड़े का क्षय, जिसकी ऊर्जा β - न्यूट्रॉन की बाध्यकारी ऊर्जा से अधिक क्षय। इस मामले में, प्रतिबंध है β - जमीनी अवस्था में संक्रमण और कम न्यूट्रॉन पृथक्करण ऊर्जा। नाभिक की उत्तेजना ऊर्जा न्यूट्रॉन की बाध्यकारी ऊर्जा से अधिक होती है। एक खंडित नाभिक से उत्तेजित नाभिक के बनने के तुरंत बाद न्यूट्रॉन बाहर निकल जाता है β -क्षय। हालांकि, समय के साथ, यह खंड नाभिक के आधे जीवन के बाद ही होता है।

थर्मल न्यूट्रॉन द्वारा एक भारी नाभिक के विखंडन के प्रति कार्य ऊर्जा का वितरण तालिका में दिखाया गया है। 1.4.

परमाणु विखंडन उत्पादों की ऊर्जा तालिका 1.4

थर्मल विखंडन ऊर्जा

क्यूटी = टीओस्क ली + टीओएससी टी + इएन+एम + β +आदि + = 204 मेव।

एंटीन्यूट्रिनो द्वारा ले जाने वाली ऊर्जा थर्मल ऊर्जा के रूप में जारी नहीं होती है; इसलिए, ~ 200 MeV एक थर्मल न्यूट्रॉन द्वारा नाभिक के विखंडन के 1 कार्य पर पड़ता है। 1 डब्ल्यू की तापीय शक्ति के साथ, 3.1.1010 डिवीजन / सेकंड होते हैं। रासायनिक प्रतिक्रियाओं में, एक परमाणु में ~ 1 eV की ऊर्जा होती है।

विखंडन का प्राथमिक सिद्धांत

मान लीजिए कि विभाजित करने की प्रक्रिया में https://pandia.ru/text/78/550/images/image028_18.gif" width="31" height="27 src="> द्रव्यमान संख्या संरक्षित है लेकिनऔर चार्ज जेड. इसका मतलब है कि हम केवल शार्क पर विचार करते हैं:

ए 1+ ए 2 = ए , जेड 1+ जेड 2 = जेड,

नाभिक 2 से 3 के अनुपात में विभाजित है:

ए 1 / ए 2 = जेड 1 / जेड 2=2/3.

प्रतिक्रिया ऊर्जा टुकड़ों की ऊर्जा के बराबर होती है क्यू = टीठीक है

क्यू = सी2 [एम – (एम1 + एम2 ) ],

क्यू= इएसवी1+ इएसवी2– इअनुसूचित जनजाति।, (1.85)

कहाँ पे इअनुसूचित जनजाति।अपने सभी संघटक नाभिकों के संबंध में नाभिक की कुल बाध्यकारी ऊर्जा है

वैसे ही इएसवी1, इएसवी2पहले और दूसरे टुकड़े की बाध्यकारी ऊर्जा हैं।

प्रतिस्थापन (1.86) और दोनों सूत्रों के लिए इएसवी1, इ s2 in (1.85) और अंतिम पद की उपेक्षा करते हुए, हम प्राप्त करते हैं

(1.15) = 17.23 MeV, https://pandia.ru/text/78/550/images/image026_22.gif" width="31" height="20"> के अनुसार मान लें तो हमें टुकड़ों की गतिज ऊर्जा प्राप्त होती है। ≈178 MeV , जो केवल 10 MeV द्वारा तालिका मान से अधिक है।

1.8.2. यूरेनियम नाभिक के विखंडन की श्रृंखला प्रतिक्रियाएं। श्रृंखला अभिक्रिया में जनन का सूत्र। प्रजनन दर। चार कारकों का सूत्र

परमाणु विखंडन श्रृंखला प्रतिक्रियाएंन्यूट्रॉन द्वारा भारी नाभिक नाभिकीय अभिक्रियाएँ होती हैं जिनमें न्यूट्रॉनों की संख्या में वृद्धि होती है और पदार्थ के नाभिकीय विखंडन की एक आत्मनिर्भर प्रक्रिया होती है। रासायनिक और परमाणु शाखित श्रृंखला अभिक्रियाएँ सदैव ऊष्माक्षेपी होती हैं। एक विखंडन श्रृंखला प्रतिक्रिया व्यावहारिक रूप से तीन समस्थानिकों पर संभव है और केवल इसलिए संभव है क्योंकि प्राथमिक न्यूट्रॉन द्वारा नाभिक के विखंडन के दौरान, आउटपुट चैनल में दो से अधिक माध्यमिक न्यूट्रॉन बाहर निकलते हैं।

गुणन कारक प्रति- परमाणु श्रृंखला प्रतिक्रिया के विकास की मुख्य विशेषता।

कहाँ पे नीमें उत्पादित न्यूट्रॉन की संख्या है मैं-पीढ़ी, नी-1 में उत्पादित न्यूट्रॉन की संख्या है ( मैं-1) - पीढ़ी।

परमाणु श्रृंखला प्रतिक्रियाओं का सिद्धांत भी 1939 में रासायनिक श्रृंखला प्रतिक्रियाओं (1934) के सिद्धांत के अनुरूप बनाया गया था। एक आत्मनिर्भर परमाणु श्रृंखला प्रतिक्रिया संभव है जब क>1 - अति क्रिटिकल रिएक्शन, क= 1 - महत्वपूर्ण प्रतिक्रिया। यदि एक क<1 – реакция подкритическая, она затухает.

श्रृंखला अभिक्रिया में न्यूट्रॉनों को गुणा करने का सूत्र

यदि प्रतिक्रिया की शुरुआत में है एनन्यूट्रॉन, तो एक पीढ़ी में उनकी संख्या हो जाएगी

यानी..gif" चौड़ाई = "108" ऊंचाई = "48">,

जहां is न्यूट्रॉन की एक पीढ़ी का औसत जीवनकाल

यदि हम चरों को अलग करते हैं और एकीकृत करते हैं, तो हमें प्राप्त होता है

सूत्र का उपयोग करके, हम अंत में प्राप्त करते हैं कि समय के साथ न्यूट्रॉन की संख्या बढ़ जाती है टीएक सकारात्मक घातांक के साथ घातीय रूप से

https://pandia.ru/text/78/550/images/image027_18.gif" width="37" height="23"> तेज न्यूट्रॉन द्वारा धीमी न्यूट्रॉन और परमाणु विखंडन।

प्रजनन दर। चार कारकों का सूत्र

बता दें कि यूरेनियम + मॉडरेटर सिस्टम के अनंत आयाम हैं। आइए मान लें कि न्यूट्रॉन की एक पीढ़ी के जन्म के समय, एनथर्मल न्यूट्रॉन, जिनमें से प्रत्येक https://pandia.ru/text/78/550/images/image058_8.gif" width="126" height="37">, (1.91) बनाता है।

जहां U यूरेनियम द्वारा धीमे थर्मल न्यूट्रॉन का अवशोषण क्रॉस सेक्शन है,

3 मॉडरेटर द्वारा धीमी थर्मल न्यूट्रॉन का अवशोषण क्रॉस सेक्शन है,

U यूरेनियम नाभिक की सांद्रता है, ρ3 मॉडरेटर नाभिक की सांद्रता है।

इस प्रकार, परमाणु ईंधन द्वारा ग्रहण किए गए थर्मल न्यूट्रॉन की संख्या है ( एनрएफ). अनंत माध्यम में न्यूट्रॉन गुणन कारक(चार कारकों का सूत्र)

अंतिम माध्यम में न्यूट्रॉन गुणन कारक

कैफ=, (1.93)

कहाँ पे - कुल संभावना है कि एक न्यूट्रॉन कोर रिसाव से बच जाएगा.

अंतिम प्रणाली में एक स्थिर परमाणु श्रृंखला प्रतिक्रिया होने के लिए, यह पर्याप्त है कैफ= 1। यह मेल खाता है नाजुक(प्रतिक्रिया के लिए सबसे छोटा) सक्रिय क्षेत्र का आकार। (शुद्ध यूरेनियम के लिए, यह एक गेंद है जिसकी त्रिज्या 8.5 सेमी और द्रव्यमान 47 किलो है)..gif" width="25 height=23" height="23">>1.

पहली नियंत्रित परमाणु श्रृंखला प्रतिक्रिया 1942 में शिकागो में ई. फर्मी द्वारा की गई थी। परमाणु रिएक्टर था η = 1.35, 1.03, ε पीएफ 0.8, = 1.08, के लिए प्रति eff को 0.93 की आवश्यकता होती है, जो 5÷10 मीटर के आकार से मेल खाती है। 1946 में मास्को में निर्मित परमाणु रिएक्टर में समान पैरामीटर थे।