Какие частицы и в каком количестве содержатся в ядре урана
История открытия деления урана
Деление ядер урана было открыто в 1938 г. немецкими учеными О. Ганом и Ф. Штрассманом. Им удалось установить, что при бомбардировке ядер урана нейтронами образуются элементы средней части периодической системы: барий, криптон и др. Правильное толкование этому факту дали австрийский физик Л. Мейтнер и английский физик О. Фриш. Они объяснили появление этих элементов распадом ядер урана, захватившего нейтрон, на две примерно равные части. Это явление получило название деления ядер, а образующиеся ядра — осколков деления.
О. Ган (1879-1968)
Ф. Штрассман (1902-1980)
См. также
- Васильев А. Деление урана: от Клапрота до Гана //Квант. — 2001. — № 4. — С. 20-21,30.
Капельная модель ядра
Объяснить эту реакцию деления можно основываясь на капельной модели ядра. В этой модели ядро рассматривается как капля электрически заряженной несжимаемой жидкости. Кроме ядерных сил, действующих между всеми нуклонами ядра, протоны испытывают дополнительное электростатическое отталкивание, вследствие которого они располагаются на периферии ядра. В невозбужденном состоянии силы электростатического отталкивания скомпенсированы, поэтому ядро имеет сферическую форму (рис. 1, а).
Рис. 1
После захвата ядром (~^{235}_{92}U) нейтрона образуется промежуточное ядро (~(^{236}_{92}U)^*), которое находится в возбужденном состоянии. При этом энергия нейтрона равномерно распределяется между всеми нуклонами, а само промежуточное ядро деформируется и начинает колебаться. Если возбуждение невелико, то ядро (рис. 1, б), освобождаясь от излишка энергии путем испускания γ-кванта или нейтрона, возвращается в устойчивое состояние. Если же энергия возбуждения достаточно велика, то деформация ядра при колебаниях может быть настолько большой, что в нем образуется перетяжка (рис. 1, в), аналогичная перетяжке между двумя частями раздваивающейся капли жидкости. Ядерные силы, действующие в узкой перетяжке, уже не могут противостоять значительной кулоновской силе отталкивания частей ядра. Перетяжка разрывается, и ядро распадается на два «осколка» (рис. 1, г), которые разлетаются в противоположные стороны.
<swf age=»13″ bgcolor=»#F8F8FF» dummy=»Dummy_pic1.jpg»>uran.swf</swf> Flash: Деление урана
Увеличить Flash
Рис. 2.
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:
(~^{235}_{92}U + ^1_0n ^{nearrow}_{searrow} begin{matrix} ^{144}_{56}Ba + ^{89}_{36}Kr + 3^1_0n \ ^{140}_{54}Xe + ^{94}_{38}Sr + 2^1_0n end{matrix}) .
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.
При делении ядер тяжелых атомов ((~^{235}_{92}U)) выделяется очень большая энергия — около 200 МэВ при делении каждого ядра. Около 80 % этой энергии выделяется в виде кинетической энергии осколков; остальные 20 % приходятся на энергию радиоактивного излучения осколков и кинетическую энергию мгновенных нейтронов.
Оценку выделяющей при делении ядра энергии можно сделать с помощью удельной энергии связи нуклонов в ядре. Удельная энергия связи нуклонов в ядрах с массовым числом A ≈ 240 порядка 7,6 МэВ/нуклон, в то время как в ядрах с массовыми числами A = 90 – 145 удельная энергия примерно равна 8,5 МэВ/нуклон. Следовательно, при делении ядра урана освобождается энергия порядка 0,9 МэВ/нуклон или приблизительно 210 МэВ на один атом урана. При полном делении всех ядер, содержащихся в 1 г урана, выделяется такая же энергия, как и при сгорании 3 т угля или 2,5 т нефти.
См. также
- Варламов А.А. Капельная модель ядра //Квант. — 1986. — № 5. — С. 23-24
Цепная реакция
Цепная реакция — ядерная реакция, в которой частицы, вызывающие реакцию, образуются как продукты этой реакции.
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 рис. 3.
Рис. 3
<swf age=»13″ bgcolor=»#F8F8FF» dummy=»Dummy_pic1.jpg»>reakcia.swf</swf> Flash: цепная реакция
Увеличить Flash
Рис. 4.
Уран встречается в природе в виде двух изотопов[~^{238}_{92}U] (99,3 %) и (~^{235}_{92}U) (0,7 %). При бомбардировке нейтронами ядра обоих изотопов могут расщепляться на два осколка. При этом реакция деления (~^{235}_{92}U) наиболее интенсивно идет на медленных (тепловых) нейтронах, в то время как ядра (~^{238}_{92}U) вступают в реакцию деления только с быстрыми нейтронами с энергией порядка 1 МэВ. Иначе энергия возбуждения образовавшихся ядер (~^{239}_{92}U) оказывается недостаточной для деления, и тогда вместо деления происходят ядерные реакции:
(~^{238}_{92}U + ^1_0n to ^{239}_{92}U to ^{239}_{93}Np + ^0_{-1}e) .
Изотоп урана (~^{238}_{92}U) β-радиоактивен, период полураспада 23 мин. Изотоп нептуния (~^{239}_{93}Np) тоже радиоактивен, период полураспада около 2 дней.
(~^{239}_{93}Np to ^{239}_{94}Pu + ^0_{-1}e) .
Изотоп плутония (~^{239}_{94}Np) относительно стабилен, период полураспада 24000 лет. Важнейшее свойство плутония состоит в том, что он делится под влиянием нейтронов так же, как (~^{235}_{92}U). Поэтому с помощью (~^{239}_{94}Np) может быть осуществлена цепная реакция.
Рассмотренная выше схема цепной реакции представляет собой идеальный случай. В реальных условиях не все образующиеся при делении нейтроны участвуют в делении других ядер. Часть их захватывается неделящимися ядрами посторонних атомов, другие вылетают из урана наружу (утечка нейтронов).
Поэтому цепная реакция деления тяжелых ядер возникает не всегда и не при любой массе урана.
Коэффициент размножения нейтронов
Развитие цепной реакции характеризуется так называемым коэффициентом размножения нейтронов К, который измеряется отношением числа Ni нейтронов, вызывающих деление ядер вещества на одном из этапов реакции, к числу Ni-1 нейтронов, вызвавших деление на предыдущем этапе реакции:
(~K = dfrac{N_i}{N_{i — 1}}) .
Коэффициент размножения зависит от ряда факторов, в частности от природы и количества делящегося вещества, от геометрической формы занимаемого им объема. Одно и то же количество данного вещества имеет разное значение К. К максимально, если вещество имеет шарообразную форму, поскольку в этом случае потеря мгновенных нейтронов через поверхность будет наименьшей.
Масса делящегося вещества, в котором цепная реакция идет с коэффициентом размножения К = 1, называется критической массой. В небольших кусках урана большинство нейтронов, не попав ни в одно ядро, вылетают наружу.
Значение критической массы определяется геометрией физической системы, ее структурой и внешним окружением. Так, для шара из чистого урана (~^{235}_{92}U) критическая масса равна 47 кг (шар диаметром 17 см). 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. Наилучшим замедлителем нейтронов является тяжелая вода D2O. Обычная вода при взаимодействии с нейтронами сама превращается в тяжелую воду.
Хорошим замедлителем является также графит, ядра которого не поглощают нейтронов. При упругом взаимодействии с ядрами дейтерия или углерода нейтроны замедляются до тепловых скоростей.
Применение замедлителей нейтронов и специальной оболочки из бериллия, которая отражает нейтроны, позволяет снизить критическую массу до 250 г.
При коэффициенте размножения К = 1 число делящихся ядер поддерживается на постоянном уровне. Такой режим обеспечивается в ядерных реакторах.
Если масса ядерного топлива меньше критической массы, то коэффициент размножения К < 1; каждое новое поколение вызывает все меньшее и меньшее число делений, и реакция без внешнего источника нейтронов быстро затухает.
Если же масса ядерного топлива больше критической, то коэффициент размножения К > 1 и каждое новое поколение нейтронов вызывает все большее число делений. Цепная реакция лавинообразно нарастает и имеет характер взрыва, сопровождающегося огромным выделением энергии и повышением температуры окружающей среды до нескольких миллионов градусов. Цепная реакция такого рода происходит при взрыве атомной бомбы.
Ядерная бомба
В обычном состоянии ядерная бомба не взрывается потому, что ядерный заряд в ней разделен на несколько небольших частей перегородками, поглощающими продукты распада урана, – нейтроны. Цепная ядерная реакция, являющаяся причиной ядерного взрыва, не может поддерживаться в таких условиях. Однако, если фрагменты ядерного заряда соединить вместе, то их суммарная масса станет достаточной для того, чтобы начала развиваться цепная реакция деления урана. В результате происходит ядерный взрыв. При этом мощность взрыва, развиваемая ядерной бомбой сравнительно небольших размеров, эквивалентна мощности, выделяющейся при взрыве миллионов и миллиардов тонн тротила.
Рис. 5. Атомная бомба
См. также
- О ядерном оружии
Уран таит в себе множество загадок. Большинство характеристик этой планеты делают ее особенной. Структура, состав, поверхность у этого гиганта необычны.
Происхождение планеты
Планета Уран — седьмая по счету от центра планета Солнечной системы, ее расстояние от Солнца примерно 3 миллиарда километров.
День на планете равен земным 17 часам и 14 минутам, а год 84 земным годам. Такое длительное время планетарного года связано с сильным наклоном планеты: она вращается вокруг Солнца, лежа на боку.
Такое положение гиганта многие астрономы объясняют тем, что на ранних этапах формирования планеты Уран столкнулся с крупным небесным телом, которое его опрокинуло.
Углы вращения планет солнечной системы
Этот газовый гигант имеет атмосферу, которая состоит из водорода, гелия и метана. Происхождение Урана не ясно. Общепринятая теория образования планет некоторым образом не подходит для этой планеты.
Понятие протопланеты, притягивавшей своим магнитным полем газы и частицы пыли, никак не объясняет, почему такая крупная планета находится так далеко от Солнца.
Среди других загадок Урана самой неразрешимой является отсутствие теплоотдачи. Другие планеты гиганты отдают солнечную энергию в двукратном количестве от полученного. Уран не отдает ничего.
Во время формирования ледяные гиганты солнечной системы получали недостаточное количество остаточного газа из протосолнечной туманности, поэтому при огромных размерах их масса не так значительна.
Уран образовался из начальных твердых тел и льдов различного содержания, причем эта планета в отличие от других гигантов не смогла удержать большое количество водорода и гелия.
Уран – это планета или нет?
Это небесное тело ученые относят к группе гигантов, однако по своим качествам оно скорее занимает промежуточное положение между гигантами и планетами земной группы.
Особенностью этой планеты является направление ее вращения. Она вращается в противоположном направлении относительно вращения Земли и остальных планет солнечной системы, кроме Венеры, которая вращается также как и Уран. Эта аномалия вращения объяснения у ученых пока не нашла.
Следующая особенность данного небесного тела – оно самое холодное в солнечной системе. По теории Нептун должен быть самой холодной планетой, как находящаяся на самом большом расстоянии от Солнца, однако Уран холоднее Нептуна. Разумного объяснения это явление не имеет.
Магнитное поле
Третьей особенностью этого небесного тела является его аномальное магнитное поле. Оно очень сложное, имеет 4 полюса и сильный наклон относительно оси вращения. Магнитные полюса имеет разную силу, что не наблюдается на других планетах.
Уран в солнечной системе является очень странной, но, безусловно, планетой.
Планета в разрезе: структура Урана
Строение Урана представляет собой 3 составные части:
- ядро
- мантию
- атмосферу
Внутренне строение планеты состоит из ядра и мантии. Ядро каменное с вкраплениями льда. В результате последних исследований определено, что ядро содержит металлы и кремний. Кроме камня, количество которого составляет 25% от общей массы.
Структура Урана
Мантия более легкая, ее масса превышает земную массу в 13 раз, хотя ее толщина составляет тысячу километров. Мантия ледяная, но горячая. Это раствор воды, аммиака и метана. В атмосфере много водорода и гелия.
Однако это все предположения, часть астрономического сообщества считает, что у Урана нет ядра. Он является шаром из льда и жидкости под газовым покрывалом. Это небесное тело очень быстро вращается вокруг своей оси, такая скорость его сплющивает с полюсов.
Ядро
По мере развития метода исследований небесных тел с помощью компьютерных моделей, все большее число астрономов начинает считать, что ядра у Урана нет совсем. Однако большинство ученых придерживается ортодоксальной теории, что горные породы составляют ядро планеты.
Ядро маленькое, его радиус составляет 20% от общего радиуса небесного тела. В центре ядра высокая температура 5 тысяч градусов по Кельвину (4726,85 по Цельсию) и давление больше 600 тысяч атмосфер.
Ядро состоит, в основном, из силикатов. Его укрывает слой льда и камней. Для такого гиганта ядро небольшое, оно меньше, чем ядро Юпитера.
Состав планеты
Состав планеты Уран отличается от больших планет Сатурна и Юпитера тем, что в его недрах нет металлического водорода. Зато много необычных модификаций льда высокой температуры.
Атмосфера состоит из гелия и водорода, в ней много аммиака и метана. Есть ацетилен и другие углеводороды, которых у Урана значительно больше, чем у Сатурна и Юпитера.
Легких газов планета содержит немного. Ученые считают это следствием дефектов формирования небесного тела. Когда Уран смог сформировать свое ядро, в солнечной системе осталось мало свободных гелия и водорода.
Состав Урана и Нептуна сильно отличается от состава Юпитера и Сатурна, поэтому их выделили в группу ледяных гигантов.
У Урана гелий не локализован в центре планеты, как у других больших планет, а сосредоточен в атмосфере. Что находится во внутренних слоях атмосферы, ученые знают плохо, а в верхних слоях обнаружили этан и метилацетилен. Считается, что это продукты фотосинтеза метана под воздействием солнечного ультрафиолета.
В верхних слоях атмосферы обнаружили также углекислый и угарный газы. Ученые полагают, что это воздействие пролетающих мимо комет.
Плотность планеты
Средняя плотность Урана составляет 1,70 грамм на сантиметр кубический. Это в 5 раз меньше плотности Земли. Большое количество газов дает низкую плотность планеты. Так как плотность Урана немного выше плотности другой крупной планеты Сатурна, это считается доказательством наличия твердого ядра, содержащего тяжелые элементы в виде камней и металлических вкраплений.
Плотность ионосферы величина переменная, она зависит от величины солнечной активности. Сила ветра на этой планете небольшая по сравнению с ветрами других больших планет.
Низкая плотность гиганта определяется особенностями его формирования, при котором основным строительным материалом были только легкие газы.
Гравитация и магнитное поле
Плотность Урана очень мала, поэтому сила гравитации на его поверхности сравнима с земной гравитацией, несмотря на огромные размеры. Магнитное поле этого небесного тела значительное и неравномерное. Источники такой силы магнитного поля ученым непонятны.
Особенности рельефа
Поверхность
Фотоснимков рельефа поверхности Урана нет. У него нет материков и кратеров. Поверхность Урана покрыта жидкостью и должна быть похожа на океаны Земли, так считают астрономы. Для того, чтобы добраться к твердому центру нужно пройти тысячи километров жидкой среды. Поэтому высадка космонавтов на эту планету невозможна.
На снимках, сделанных космическим аппаратом «Вояджер», поверхность этого гиганта кажется однородной. Облака Урана состоят из твердого льда и аммиака. Из-за очень низкой температуры поверхность кажется спокойной и тихой, что определил «Вояджер», пролетая мимо. Так как твердой поверхности в этом случае не имеется, ученые приняли за поверхность атмосферный слой с давлением 1 бару.
У атмосферы Урана имеется загадка: в удаленных участках атмосферы этой самой холодной планеты температура повышается до огромных значений.
Ученым непонятна причина этого явления. Жара, наблюдаемая в короне ледяной планеты, является ее удивительной особенностью.
Облачность небесного тела имеет многослойную структуру. Основные облака нижнего слоя состоят из сероводорода. Следующий слой облаков состоит из солей аммония. Еще выше располагаются облака состоящие из водяного льда. Конденсация паров ацетилена дает надоблачную дымку.
Всего полосок облаков 10. Это установлено с помощью телескопа «Хаббл». Этот мощный аппарат позволил обнаружить атмосферные вихри, которые кажутся небольшими пятнами темного цвета.
Какого цвета планета
Разберемся, как выглядит планета Уран. На космических фотографиях сделанных «Вояджером» и телескопом «Хаббл» гигант имеет сине-зеленый цвет. Так выглядит его атмосфера.
Наличие газообразного метана окрашивает атмосферу в яркие цвета. Солнечные лучи поглощаются атмосферными слоями и, отражаясь от облаков, возвращаются в космическое пространство.
Газ метан, из которого состоит верхний слой облаков, поглощает красные части спектра, в результате обратное излучение солнечного света приобретает сине-зеленый оттенок.
Кроме метана синие части спектра отражаются также от высотного фотохимического смога. Вероятно наличие в более низких слоях атмосферы облаков другого цвета, но их закрывают метановые облака.
Уран называют планетой цвета морской волны. Особенность облаков этого гиганта в том, что они находятся не в верхних слоях атмосферы, а в ее глубине.
Основной цвет Урана и Земли почти одинаковый, только гигант бледнее. Но если Земля выглядит голубой из-за ее водных просторов, то цвет другой планеты определяется особенностью отражения ее облаков.
Недавно американские астрономы установили, что внешнее кольцо Урана Эпсилон окрашено в синий цвет. До этого открытия считалось, что синее кольцо есть только у Сатурна. Их цвет определяется крохотными частицами, размер которых меньше микрона. Они отражают синюю часть спектра.
Изотопный состав урана в осадочных породах дает возможность узнать, какой была активность микроорганизмов в древние геологические эпохи.
При упоминании урана сразу возникает ассоциация с топливом для атомных станций или начинкой ядерных боеголовок. Еще вспоминаются урановые рудники, откуда его, собственно, и добывают. Но мало кто задумывается о том, сколько урана может содержаться в морской воде. А ведь Мировой океан – это огромное естественное месторождение урана, его там, по приблизительным оценкам, около 10 миллиардов тонн, то есть на каждого жителя Земли приходится по тонне. Масштабы, конечно, впечатляют, но если поделить это количество на всю массу воды, которая содержится в морях и океанах, то получится совсем мизерная концентрация. Именно из-за такого небольшого относительного содержания мы можем спокойно отдыхать на морском побережье, не боясь лучевой болезни. Но даже микроскопический уровень химических элементов поддаётся измерению чувствительными приборами. И вот здесь самое время вспомнить про изотопный состав.
Фото: Shawn Bagley/Flickr.
Уранинит, настуран или урановая смоляная обманка – наиболее распространенный в природе минерал урана. Состоит преимущественно из оксидов урана. Фото: Rui Costa/Flickr.
Стекло с добавлением солей урана способно светиться в лучах ультрафиолетового света. Однако, не нужно думать, что радиация «светиться» — к радиоактивности это свечение не имеет никакого отношения. Фото: Danilo Russo/Flickr.
‹
›
Во-первых, что такое изотоп? У каждого атома химического элемента, будь то водород, кислород или уран, есть ядро, которое состоит из протонов и нейтронов. Число протонов определяет, какой это будет элемент: например, если протон всего один – то получится водород, если протонов восемь – получится кислород, а если их станет совсем много, допустим, 92 – тогда у нас будет уран. Но кроме протонов, в ядре есть еще и другие частицы — нейтроны. Их число не влияет на то, какой получится элемент, но от них зависит его масса и некоторые другие свойства, в том числе, стабильность. Атомы, которые имеют одинаковое число протонов, но разное число нейтронов, называются изотопами одного химического элемента.
В природе существует три изотопа урана, это уран-234, уран-235 и уран-238. Число, которое стоит после названия элемента указывает на массу его ядра. Все три изотопа урана имеют одинаковое число протонов – 92, а вот число нейтронов у них разное. У самого «толстого» изотопа их 238-92=146. У урана-235 их уже на три меньше – 143. В горных породах и в морской воде содержится в основном уран-238, в то время как урана-235 примерно в сто с лишним раз меньше. Уран, в котором содержится очень мало изотопа-235, называют обедненным, если много – обогащённым. Ядерной промышленности нужен высокий уровень изотопа-235, поэтому природный уран обогащают с помощью сложной технологической процедуры.
Но причём здесь микроорганизмы? Как оказалось, в некоторых метаболических реакциях бактериям необходимо избавляться от «лишних» электронов. Эти лишние электроны бактерия может передать растворенным в окружающей водной среде ионам, например, находящимся в воде ионам урана. «Забрав» лишние электроны от бактерий, уран переходит в нерастворимую форму и выпадает в осадок в виде неорганических солей. Но то же самое происходит и без участия бактерий: горные породы могут накапливать растворенные в океане ионы урана в результате обычных химических реакций. И, казалось бы, эти два процесса – органический и неорганический, неотличимы. Однако исследователи из политехнической школы Лозанны выяснили, что это не так.
Для неорганического процесса осаждения абсолютно не важен изотопный состав урана – оба изотопа, уран-235 и уран-238 неотличимы с точки зрения химии. Но бактерии оказались более «привередливыми» – они предпочитали уран-238 по сравнению с его более легким 235-м изотопом. Получается, что если в древних осадочных слоях относительное содержание 238-го изотопа выше, чем в других породах, значит, эти слои образовались при участии живых микроорганизмов. Оценив содержание обоих изотопов в архейских осадочных породах из западной части Австралии, исследователи обнаружили, что тут присутствуют соли урана, образованные в результате биохимических реакций. Иными словами, 2,5 миллиарда лет назад микробы уже вовсю вмешивались в геохимические процессы.
Кстати, японские исследователи разработали метод выделения урана из морской воды с помощью специальных белковых молекул. Однако по сравнению с добычей урана из горных пород такой способ в несколько раз дороже, что пока делает его экономически невыгодным.
Фото: Shawn Bagley/Flickr, Rui Costa/Flickr, Danilo Russo/Flickr
По материалам EPFL