Большая Советская Энциклопедия (ЯД) - БСЭ БСЭ

  Деформация ядра при делении сопровождается изменением его потенциальной энергии (рис. 2 ). Для того чтобы ядро достигло формы, предшествующей его разрыву, необходима затрата определённой энергии для преодоления потенциального барьера , называется барьером деления. Эту энергию обычно ядро получает извне, в результате той или иной ядерной реакции (например, при захвате нейтрона). Я. а. д. наблюдается для всех ядер тяжелее Ag, однако вероятность его во много раз больше для самых тяжёлых элементов. В случае 235 U деление происходит при захвате даже тепловых нейтронов .

  В 1940 Г. Н. Флёров и К. А. Петржак (СССР) обнаружили самопроизвольное (спонтанное) Я. а. д., при котором происходит туннельное проникновение через барьер деления (см. Туннельный эффект ). Спонтанное деление — разновидность радиоактивного распада ядер (см. Радиоактивность ) и характеризуется периодом полураспада (периодом деления). Вероятность спонтанного деления зависит от высоты барьера деления. Для изотопов U и соседних с ним элементов барьер деления ~6 Мэв. Высота барьера, а следовательно, и период спонтанного деления ядер зависят от отношения Z2 /A (рис. 3 ). При изменении Z2 /A от 34,3 для 232 Th до 41,5 для 260 Ku период спонтанного деления уменьшается ~ в 1030 раз.

  Деление тяжёлых ядер сопровождается выделением энергии. В тяжёлых ядрах из-за больших сил электростатического расталкивания нуклоны связаны друг с другом слебее, чем в осколках — ядрах середины периодической системы элементов . Поэтому масса тяжёлого ядра больше суммы масс образующихся осколков. Разница в массах соответствует энергии, выделяемой при делении (см. Относительности теория ). Значительная часть этой энергии выделяется в виде кинетической энергии осколков, равной энергии электростатического отталкивания двух соприкасающихся осколков в момент разрыва ядра на две части (рис. 1 , б). Суммарная кинетическая энергия осколков несколько увеличивается по мере возрастания Z делящегося ядра и составляет для ядер U и трансурановых элементов величину ~ 200 Мэв. Осколки быстро тормозятся в среде, вызывая её нагревание, ионизацию и нарушая её структуру. После соответствующей химической обработки под микроскопом могут быть замечены характерные следы осколков деления (рис. 4 ). Преобразование кинетической энергии осколков деления в тепловую энергию (нагревание ими окружающей среды) является основой использования ядерной энергии (см. Ядерный реактор , Ядерный взрыв ).

  В момент разрыва ядра осколки сильно деформированы, но по мере их удаления друг от друга деформация уменьшается, что приводит к увеличению их внутренней энергии. В дальнейшем энергия возбуждения осколков уменьшается в результате испускания ими нейтронов и g-квантов (рис. 1 , г). Когда энергия возбуждения осколков становится меньше энергии, необходимой для отделения нейтрона от ядра, эмиссия нейтронов прекращается и начинается интенсивное испускание g-квантов. В среднем наблюдается 8—10 g-квантов на 1 акт деления.

  Т. к. разрыв шейки ядра может происходить по-разному, то масса, заряд и энергия возбуждения осколков флуктуируют от одного акта деления к другому. Число нейтронов v, испущенных при делении, также флуктуирует. При бомбардировке U медленным и нейтронами число нейтронов на 1 акт деления n ~ 2,5. Для более тяжёлых элементов n увеличивается. Значит, превышение n над 1 — чрезвычайно важный факт. Именно это обстоятельство позволяет осуществлять ядерную цепную реакцию и накапливать в ядерных реакторах энергию, выделяющуюся при Я. а. д. в макроскопических масштабах. Приближённо энергетический спектр нейтронов можно считать максвелловским со средней энергией ~1,3 Мэв (см. Максвелла распределение ).

  Ядра, образующиеся при делении, перегружены нейтронами и являются радиоактивными (изотопы Ba и др.). Соотношение между числами протонов Z и нейтронов N = А — Z в них зависит от энергии возбуждения делящегося ядра. При достаточно высоком возбуждении соотношение N и Z в осколках остаётся обычно тем же, что у начального делящегося ядра. При малой энергии возбуждения делящегося ядра нейтроны и протоны распределяются между осколками таким образом, что в обоих осколках происходит примерно одинаковое число b-распадов, прежде чем они превратятся в стабильные ядра. В отдельных случаях (приблизительно 0,7% по отношению к общему числу делений) образующееся при b-распаде возбуждённое дочернее ядро испускает нейтрон. Эмиссия этого нейтрона 113 возбуждённого ядра — процесс быстрый (t < 10-16 сек ), однако он запаздывает по отношению к моменту делений ядра на время, которое может достигать десятков сек; нейтроны, испускаемые при этом, называются запаздывающими нейтронами.

  Деление называется асимметричным, когда отношение масс наиболее часто возникающих осколков ~1,5 (рис. 5 ). По мере увеличения энергии возбуждения ядра всё большую роль начинает играть симметричное деление на два осколка с примерно равной массой. Для некоторых спонтанно делящихся ядер (U, Pu) характерно асимметричное деление, но по мере увеличения А деление приближается к симметричному. Наиболее отчётливо это проявляется у 256 Fm. Значительно реже наблюдается деление на 3 осколка, обычно сопровождающееся испусканием a-частицы, ядер 6 He, 8 He, Li, Be и др. Предельный случай — деление на 3 равных осколка — наблюдался при бомбардировке ядер ускоренными тяжёлыми ионами (40 Ar и др.).

  Теоретическое объяснение Я. а. д. впервые было дано Н. Бором и Дж. А. Уплером (США) и независимо от них Я. И. Френкелем . Они развили капельную модель ядра, согласно которой ядро рассматривается как капля электрически заряженной несжимаемой жидкости. На нуклоны в атомном ядре действуют уравновешивающие друг друга ядерные силы притяжения и электростатические силы отталкивания (между протонами), стремящиеся разорвать ядро. Деформация ядра нарушает равновесие; при этом, однако, возникают силы, стремящиеся вернуть ядро к начальной форме аналогично поверхностному натяжению жидкой капли. Деформация ядра при делении сопровождается увеличением его поверхности и, как в жидкой капле, силы поверхностного натяжения возрастают, препятствуя дальнейшей деформации. После прохождения через вершину барьера деления энергетически выгодным становится образование 2 капель меньшего размера, и с этого момента формирование осколков деления идёт быстро и необратимым образом. Уменьшение барьера деления для ядер с большими Z2 /A отчётливо проявляется в уменьшении периодов спонтанного деления.

  Капельная модель описывает лишь усреднённые свойства ядер. В действительности же характер процесса деления может существенно зависеть от внутренней структуры ядра и состояния отдельных нуклонов. В частности, из-за этого барьер деления больше для ядер с нечётным числом нуклонов, чем для соседних чётно-чётных ядер (с чётными Z и N ). Особенно заметно это повышение барьера сказывается на периодах спонтанного деления ядер: периоды спонтанного деления чётно-чётных ядер в среднем более чем в 100 раз короче периода спонтанного деления соседних ядер с нечётным N. Увеличение барьера деления из-за нечётного нуклона видно на примере деления изотопов урана. Деление ядер 238 U становится достаточно вероятным лишь в том случае, когда кинетическая энергия нейтронов превышает некоторый порог, а в случае 235 U даже при захвате теплового нейтрона, энергия возбуждения составного ядра 236 U уже превышает барьер деления (рис. 6 ). Влияние структуры ядра на Я. а. д. видно при сравнении периодов спонтанного деления чётно-нечётных ядер. Вместо регулярного увеличения периода спонтанного деления с массой нуклида иногда наблюдается резкое уменьшение периода спонтанного деления. Особенно четко этот эффект проявляется при числе нейтронов N = 152, что не может быть объяснено в рамках капельной модели и свидетельствует о влиянии на Я. а. д. оболочечной структуры ядра.

  Нуклонные оболочки оказывают влияние не только на преодоление барьера деления, они заметно сказываются и на последней стадии формирования осколков в момент, когда происходит разрыв ядра. Изменение формы ядра при делении происходит медленно (по сравнению с движением нуклонов в ядре), в результате чего нуклонные орбиты перестраиваются адиабатически. Измерения спектра масс осколков, их суммарной кинетической энергии, а также зависимости n от соотношения масс осколков указывают на формирование нуклонных оболочек в осколках перед разрывом.