Деление тяжелых атомных ядер

В лабораториях многих стран в 30-х годах проводились опыты по облучению природного урана нейтронами. В 1938 г. немецкие ученые О. Ган и О. Штрассман при анализе химически чистого урана, облученного нейтронами, обнаружили барий и лантан. Поскольку эти элементы находятся в середине таблицы Менделеева, их появление было непонятным.

Датские физики Л. Мейтнер и О. Фриш объяснили появление этих элементов распадом ядер урана на две примерно равные части. Это явление получило название деления ядер, а образующиеся ядра — осколков деления.

Отмечалось, что при делении тяжелых ядер должна освобождаться энергия. Средняя энергия связи, приходящаяся на один нуклон, Eсв/А у тяжелых, ядер за счет кулоновских сил отталкивания между, протонами почти на 1 МэВ ниже, чем у ядер со средней массой. Поскольку в каждом акте деления участвует более 200 нуклонов; общая энергия, освобождающаяся при делении одного тяжелого ядра, составляет около 200 МэВ. Это соответствует опытным данным.

Н. Бор приписал деление ядер природного урана изотопу ²³⁵₉₂U, что было подтверждено в 1940 г. Ядра ²³⁵₉₂U, поглощая нейтроны, превращаются в ядра ²³⁶₉₂U, которые за очень короткое время распадаются на две примерно одинаковые части.

Наглядную физическую картину деления дает представление ядра в виде положительно заряженной капли жидкости (капельная модель ядра). Ядро, поглотившее нейтрон, находится в возбужденном состоянии, поскольку при захвате нейтрона освобождается его энергия связи в новом ядре (7,6 МэВ для ²³⁶₉₂U); при поглощении быстрого нейтрона ядро получает еще и его кинетическую энергию. Возбужденное ядро, подобно капле ртути при толчке, начинает колебаться, изменяя свою форму. Когда энергия возбуждения невелика, силам поверхностного натяжения удается вернуть ядро к сферической форме (рис. 39.1, а). Если же ядро сильно возбуждено, то его деформация при колебаниях может быть настолько большой (рис. 39.1, б), что в какой-то момент кулоновские силы отталкивания между двумя частями ядра начнут преобладать над ядерными силами сцепления между ними и ядро разорвется на две части, разлетающиеся в противоположные стороны (рис. 39.1, в). Осколки деления редко бывают одинаковыми, чаще всего один из них примерно в полтора раза больше другого.

Оказалось, что ядра ²³⁸₉₂U также могут делиться, но для этого нужны быстрые нейтроны, обладающие энергией более 1,1 МэВ, иначе энергия возбуждения образовавшихся ядер ²³⁹₉₂U оказывается недостаточной для деления, и тогда вместо деления происходят ядерные реакции, описанные в предыдущем параграфе.