Деление ядра представляет собой ядерную реакцию, в ходе которой тяжелое атомное ядро распадается на два (реже — три) более лёгких фрагмента, сопровождаясь выделением энергии и, как правило, выбросом нескольких нейтронов. Это процесс фундаментального значения в ядерной физике и технологии, особенно в контексте ядерной энергетики и ядерного оружия.
В зависимости от механизма инициирования деления различают спонтанное деление и вынужденное деление. Эти процессы различаются не только по условиям протекания, но и по вероятностным характеристикам, кинематике и продуктовому составу.
Центральным понятием при анализе деления является барьер деления, возникающий вследствие противодействия между ядерными и кулоновскими силами. При малых деформациях ядра действуют силы ядерного сцепления, стремящиеся удержать его в связанном состоянии. При увеличении деформации начинают преобладать отталкивающие кулоновские силы между протонами. Это приводит к формированию потенциального барьера, преодоление которого необходимо для деления ядра.
Если энергия ядра превышает высоту этого барьера, деление происходит автоматически (как в случае возбуждённых состояний), если же энергия меньше — требуется туннелирование через барьер, как при спонтанном делении.
Спонтанное деление — это самопроизвольный квантовомеханический процесс, при котором тяжелое ядро без внешнего воздействия делится на два (или более) фрагмента. Данный процесс — разновидность радиоактивного распада, аналогично альфа-распаду, но с существенно большей сложностью.
Квантовомеханически спонтанное деление — это туннелирование через барьер деления. Вероятность такого туннелирования крайне мала и резко зависит от массы и заряда ядра. Поэтому спонтанное деление наблюдается в основном для очень тяжелых ядер — таких как уран-238, плутоний-240, калифорний-252 и т.д.
Спонтанное деление ограничивает стабильность суперплутониевых и трансактиноидных элементов. Так, время жизни некоторых изотопов может определяться именно этим процессом, а не альфа-распадом или бета-распадом.
Вынужденное деление — это процесс, при котором деление ядра вызывается внешним воздействием, чаще всего — захватом нейтрона. Это лежит в основе цепных реакций в ядерных реакторах и в ядерном оружии.
Классическим примером служит деление урана-235 или плутония-239 при захвате теплового нейтрона:
235U + n→236U* → фрагменты деления + 2–3 n+ ∼ 200 МэВ
Захваченный нейтрон возбуждает ядро-мишень, формируя составное ядро с энергией, достаточной для преодоления барьера деления.
Сечение деления, σ_f(E), зависит от энергии падающего нейтрона. Для делящихся ядер (например, U-235, Pu-239) сечение максимально при низких энергиях (резонансные пики и тепловая область), затем уменьшается, но сохраняется на уровне ~1 барн и выше для быстрых нейтронов. Для неделящихся ядер (U-238) деление возможно только при энергии нейтрона выше порога (~1 МэВ).
В обоих типах деления (спонтанном и вынужденном) наблюдается весьма схожая картина образования продуктов:
Два фрагмента с массами от 70 до 160 а.е.м., с максимумом асимметрии деления.
Среднее число нейтронов: от 2 до 3 на акт деления (в зависимости от делящегося ядра).
Суммарная энергия деления: ~200 МэВ, распределённая следующим образом:
Наиболее важным следствием вынужденного деления является возможность цепной реакции деления, когда испущенные нейтроны инициируют дальнейшие акты деления. Для этого необходимо выполнение условия критичности — среднее число нейтронов, вызывающих новое деление, должно быть не менее единицы.
Критическое значение имеет:
Продукты деления (фрагменты) — это обычно нестабильные нуклиды, обогащённые нейтронами. Они испытывают β⁻-распад, превращаясь в стабильные изотопы элементов средней массы.
Типичные продукты деления — это изотопы таких элементов, как ксенон, цезий, стронций, йод, рубидий, криптон, молибден. Их радиоактивность представляет собой один из главных источников остаточного тепла в реакторе и радиоактивного загрязнения при авариях.
Хотя основное количество делений — это бинарные процессы, наблюдаются также более редкие случаи тройного деления, при котором возникают три фрагмента, включая, например, альфа-частицу. Доля таких событий мала — порядка 0.2–0.5% от всех делений.
Подходы к теоретическому описанию процессов деления базируются как на статистических моделях (модель капли с деформацией, модель барьера), так и на квантовомеханическом рассмотрении туннелирования. Используются также стохастические методы для моделирования распределения фрагментов и энергии.
Массовое распределение продуктов деления демонстрирует два пика — асимметричное деление. Это объясняется ядерной оболочечной моделью: фрагменты, масса которых близка к числам с замкнутыми оболочками (например, 132Sn), образуются с большей вероятностью. Распределение также зависит от энергии возбуждения: при высоких энергиях деление становится более симметричным.