Спонтанное деление

Важный вид радиоактивности, открытый в 1940 г. Г.Н.Флёровым и К.А.Петржаком, связан со спонтанным делением ядер, в процессе которого некоторые достаточно тяжёлые ядра распадаются на два осколка с примерно равными массами. Спонтанное (самопроизвольное) деление впервые было обнаружено для природного урана. Ядра урана могут делиться различным образом, давая два осколка (например, 5бВа, 3г>Кг, 54Xe-3«Sr и т.п.). В 1 г естественного урана происходит в среднем одно деление в минуту.

Спонтанное деление - самопроизвольный распад тяжёлых ядер на два (редко - три или четыре) осколка - ядра элементов середины периодической таблицы.

Спонтанное деление становится энергетически выгодным, начиная примерно с Z=50. Однако благодаря электростатическому отталкиванию между осколками деления, возникает потенциальный барьер (подобно тому, как это имеет место для а-распада), который не позволяет ядру мгновенно разделиться и обусловливает существование спонтанного деления как особого вида радиоактивности, наблюдаемого лишь для самых тяжёлых элементов {Z>90). В большинстве случаев делящиеся ядра являются а- или p-активными, а спонтанное деление оказывается маловероятным каналом распада. Существуют, однако, изотопы, для которых спонтанное деление - это главный, а иногда и единственный из наблюдавшихся до сих пор канал распада. Таковы, например, 256Fm (7=i6o м) и 254Cf (7=60,5 дн).

Делению способствует кулоновское отталкивание между протонами, энергия которого в сферическом зерне с радиусом г пропорциональна Z2/r; делению препятствует стремящееся сохранить сферическую форму ядра поверхностное натяжение: его энергия пропорциональна поверхности ядра, т.е. г2. Способность ядер к делению пропорциональна Z2/r3, а тем самым и параметру деления Z2/A. Согласно капельной модели атомного ядра, периоды полураспада спонтанного деления уменьшаются с ростом отношения Z2/A Энергетической выгодности спонтанного деления отвечает условие Z2/i4>i6, мгновенному делению Z2/a> (т.е. нуклиды с Z2/a>,8 должны быть вообще нестабильными к спонтанному делению, Т=ю 2° с). Рис. 19 показывает, что эта модель верно описывает изменение периодов полураспада спонтанного деления чётно-чётных ядер с ростом порядкового номера. Однако значения периодов полураспада для каждого отдельного элемента образуют собственную кривую. Для нечётных ядер значение периода полураспада спонтанного деления в среднем на 34-4 порядка больше, чем среднее значение периодов полураспада соседних чётно-чётных нуклидов.

47 га

Рис. 19. Сводка данных о периодах полураспада тяжёлых ядер относительно спонтанного деления

Спонтанное деление, как и а-распад, можно объяснить с помощью туннельного эффекта, который наблюдается у самых тяжёлых ядер (Z>90, ^>230).

Разнообразие вариантов осколочных пар не позволяет дать определённые однозначные правила смещения по периодической системе при спонтанном делении; с наибольшей вероятностью реализуется несимметричное деление на тяжёлый и лёгкий осколки, заряды и массы которых составляют примерно 6о% и 40% от заряда и массы делящегося ядра.

Массовые распределения осколков деления тепловыми нейтронами ззи, 35U, ^Pu и спонтанного деления 5Cf, 5Fm. Заштрихованные области указывают приблизительное расположение ядер с замкнутыми оболочками

Рис. 20. Массовые распределения осколков деления тепловыми нейтронами 2ззи, 235U, ^Pu и спонтанного деления 252Cf, 256Fm. Заштрихованные области указывают приблизительное расположение ядер с замкнутыми оболочками

Поскольку отношение N/Z для изотопов тяжёлых элементов выше, чем для устойчивых изотопов середины периодической системы, спонтанное деление сопровождается испусканием нейтронного (в среднем от 2 до 4 для разных ядер), и у-излу'чения, а, кроме того, осколки деления оказываются перегруженными нейтронами и испытывают последовательный ряд (3 распадов. При спонтанном делении число испускаемых вторичных нейтронов несколько меньше, чем при индуцированном нейтронами делении того же ядра (для спонтанного деления ^Ри испускается 2,19 нейтрона на один акт деления, при делении под действием тепловых нейтронов - 2,882 нейтрона). Так как распадающееся составное ядро [24°Ри]* имеет дополнительную энергию - энергию связи нейтрона, увеличение эмиссии вторичных нейтронов становится понятным.

Кинетическая энергия осколков деления слабо зависит от энергии возбуждения делящегося ядра, т. к. излишняя энергия идёт на возбуждение внутреннего состояния осколков. На рис. 20 показаны массовые распределения осколков деления 234U и более тяжёлых ядер. Видно, что массовые распределения тяжёлых осколков близки, в то время как средняя масса лёгких осколков меняется от ~90 у 234U до -114 у 256Fm (рис. 21).

Средняя масса лёгкой группы практически линейно растёт с ростом массы делящегося ядра, в то время как средняя масса тяжёлой группы остаётся почти неизменной (Л» 140). Таким образом, практически все добавочные нуклоны идут в лёгкие осколки. На рис. 20 заштрихованы области ядер с магическими числами протонов и нейтронов. Для Z-50 стабильным ядрам соответствует Z/A-0.4 (Л=125). Нейтроноизбыточные осколки деления имеют Z/A до -0.38 (Л=132), т.е. около 7 «лишних» нейтрона. На краю тяжёлой группы осколков находится дважды магическое ядро ‘32Sn (Z=50, N=82). Это исключительно стабильная конфигурация определяет нижний край массового распределения тяжёлых осколков. Для лёгких осколков этого эффекта нет. Массовое распределение лёгких осколков не попадает в область даже одного магического числа N= 50 и слабо зависит от оболочечных эффектов. Оно формируется из нуклонов «оставшихся» после формирования тяжёлого осколка.

Зависимость средних масс легкой и тяжёлой групп осколков от массы делящегося ядра

Рис. 21. Зависимость средних масс легкой и тяжёлой групп осколков от массы делящегося ядра

По своим характеристикам: величине выделяемой энергии (200 МэВ), виду спектра масс осколков, числу и энергии вторичных нейтронов (мгновенных - испускаемых в момент деления и запаздывающих - вылетающих после (5-распада осколков) - спонтанное деление очень схоже с делением тяжёлых ядер под действием нейтронов.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >