Спонтанное деление ядер

Как было показано в § 36.2, по мере возрастания массового числа удельная энергия связи, начиная с A=60, уменьшается и ядра становятся менее устойчивыми. В связи с этим энергетически выгодной становится реакция деления ядра на два примерно одинаковых ядра-осколка, имеющих большее значение энергии связи по сравнению с исходным ядром.

Спонтанное (самопроизвольное) деление ядер U²³⁸ впервые обнаружили Г.Н. Флеров и К.А. Петржак в 1940 г.

Наиболее наглядно процесс деления атомных ядер можно описать на основе капельной модели ядра. Наименьшую потенциальную энергию имеет сферическое ядро-капля. При деформации ядра его потенциальная энергия вначале возрастает на величину работы, которая затрачивается против сил ядерного притяжения между нуклонами. При достижении некоторой критической деформации ядро разделяется на два осколка, между которыми возникают кулоновские силы отталкивания, убывающие по мере удаления их друг от друга (рис. 36.6, а). В процессе деформации форма ядра изменяется от сферической и эллипсоидальной и далее к гантелевидной (рис. 36.6, б).

Рис. 36.6

Таким образом, для осуществления реакции деления необходима некоторая минимальная энергия, которая называется энергией активации: Wa=W_max–W_min (рис. 36.6). Значение Wa убывает по мере увеличения порядкового номера элемента, так как с ростом зарядового числа Z возрастает кулоновская энергия отталкивания между протонами и ядра становятся менее устойчивыми. Расчеты, проведенные в рамках капельной модели ядра, показывают, что при значениях параметра Z²/A<49 энергия активации становится равной нулю и ядра оказываются абсолютно неустойчивыми. Однако при Z²/A<49 W₀¹0, т.е. требуется затрата энергии активации для того, чтобы была достигнута критическая деформация ядра-капли, приводящая к делению. При этом, чем меньше параметр Z²/A, тем более устойчиво ядро, так как с уменьшением этого параметра возрастает энергия активации. Например, для изотопов U²³⁵ и U²³⁸ выполняется неравенство Wa(U²³⁵)<Wa(U²³⁸), т.е. ядро U²³⁵ менее устойчиво по сравнению с U²³⁸. Измерения показывают, что период полураспада U²³⁵ для процесса деления составляет 10¹²...10¹³ лет, а для U²³⁸ — 10¹⁷ лет. Для сравнения заметим, что для естественной a-радиоактивности U²³⁸ период полураспада составляет 10⁹ лет, т.е. процесс спонтанного деления ядра U²³⁸ является менее вероятным по сравнению с его a-распадом.