Деление ядер — это один из важнейших типов ядерных превращений, при котором тяжелое ядро распадается на два (реже — три) осколка сопоставимой массы, сопровождаясь выделением большого количества энергии и, как правило, испусканием нейтронов. Этот процесс может происходить как самопроизвольно, так и быть вызван внешним воздействием, чаще всего — захватом нейтрона.
Деление ядра можно описывать в рамках модели жидкой капли, предложенной Нильсом Бором и Джоном Уилером. В этой модели ядро рассматривается как капля несжимаемой ядерной жидкости, обладающей поверхностным натяжением и кулоновским отталкиванием между протонами. Возбуждение ядра может привести к деформации капли, вплоть до ее вытягивания и образования «перешейка», который в какой-то момент разрывается — ядро распадается на два осколка.
Последовательность стадий деления:
Энергия, выделяющаяся при делении, обусловлена разницей в энергии связи между исходным ядром и продуктами деления. Тяжелые ядра имеют меньшую энергию связи на нуклон, чем средние ядра, поэтому при распаде тяжелого ядра образуются более устойчивые осколки с большей удельной энергией связи, и разность этой энергии выделяется наружу.
Пример: Деление урана-235 после захвата теплового нейтрона:
235U + n → 236U* → осколки деления + (2–3) n+ ∼ 200 МэВ
Энергия порядка 200 МэВ распределяется следующим образом:
1. Спонтанное деление: Процесс, при котором тяжелое ядро (например, калифорний-252) делится без внешнего воздействия. Является квантовомеханическим туннельным эффектом через потенциальный барьер деления. Вероятность процесса крайне мала для большинства ядер, но возрастает с увеличением массового числа.
2. Индуцированное деление: Процесс, запускаемый взаимодействием ядра с налетающей частицей, чаще всего нейтроном. Возможны также реакции деления, вызванные протонами, γ-квантами или другими ионами, но они требуют энергии выше порога деления.
Для описания механизма деления важное значение имеет потенциальный барьер, представляющий собой энергетическое препятствие, отделяющее начальное сферическое состояние ядра от вытянутого состояния, предшествующего делению. Этот барьер складывается из:
Если возбуждение ядра превышает высоту барьера, деление происходит с большой вероятностью. В противном случае процесс возможен лишь за счет туннелирования.
Продукты деления не распределяются равномерно по массе. Наблюдается двугорбое распределение масс, в котором вероятнее всего образование одного осколка массой около 95, а другого — около 135. Это объясняется оболочечными эффектами: повышенной стабильностью ядер с закрытыми оболочками.
Типичное распределение:
Небольшая часть нейтронов (~0.65% для 235U) испускается не сразу, а спустя от нескольких миллисекунд до десятков секунд после деления — так называемые запаздывающие нейтроны. Они происходят из β-распада нестабильных продуктов деления. Несмотря на их малое число, они критически важны для управления цепной реакцией в ядерных реакторах.
Для некоторых изотопов (например, 238U), деление возможно только при воздействии быстрых нейтронов — энергия которых превышает порог деления (около 1 МэВ). Для других (например, 235U, 239Pu), захват теплового нейтрона уже приводит к эффективному делению. Эти различия важны при проектировании реакторов и выборе топлива.
Если каждый акт деления сопровождается испусканием более одного нейтрона, то возможна цепная реакция — каждый нейтрон вызывает новое деление, которое, в свою очередь, порождает ещё больше нейтронов. В зависимости от условий, такая реакция может быть:
Деление может быть вызвано не только нейтронами, но и высокоэнергичными γ-квантами (фотоядерное деление) или заряженными частицами. Вероятность таких процессов существенно ниже, но они находят применение в фундаментальных исследованиях, а также в определенных технических приложениях.
Хотя типично деление происходит на два осколка, иногда (~0.2% случаев) наблюдается трехосколочное деление, при котором образуется три ядра, одно из которых обычно гораздо легче двух других (например, α-частица). Этот процесс более вероятен при высоких энергиях возбуждения.
Современные теоретические описания деления включают:
Эти подходы позволяют предсказывать вероятности деления, распределения по массе, энергии, а также нейтронные выходы с высокой точностью.
Механизм деления является фундаментом для:
Точные знания о делении ядер необходимы как для эффективной эксплуатации мирного атома, так и для обеспечения ядерной безопасности.