Как происходит ядерный взрыв

Как происходит ядерный взрыв

Ядерная энергия освобождается при перераспределении составных частиц атомного ядра — протонов и нейтронов — в отличие от химической энергии, выделяющейся вследствие перегруппировки атомов с перераспределением электронов между ними. Плотно «упакованные» в ядре протоны и нейтроны представляют собой относительно устойчивую систему вследствие сил притяжения между протонами, нейтронами и между протонами и нейтронами. Эти силы притяжения действуют только на таких расстояниях, как внутриядерные, и во много раз превосходят силы электрического отталкивания положительно заряженных протонов.

Устойчивость или неустойчивость ядер, т. е. вероятность перераспределения ядерных частиц или ядерной реакции, зависит от соотношения нейтронов и протонов в ядре. Ядра различных атомов принято характеризовать атомным номером Z, равным числу протонов в ядре (числу единичных положительных зарядов), и массовым числом А, равным общему числу протонов и нейтронов. Число нейтронов в атомном ядре равно разности А—Z.

Атомы, имеющие одинаковый атомный номер 7, но различные массовые числа А, называются изотопами.

Следовательно, изотопы отличаются друг от друга только числом нейтронов А— в ядрах. Всего в природе встречается около 280 устойчивых и около 50 неустойчивых изотопов. Кроме того, более 700 неустойчивых изотопов для всех известных в настоящее время элементов получено искусственным путем с помощью различных ядерных реакций.

Для обозначения какого-либо определённого изотопа Х указывают массовое число А одновременно с названием или символом элемента: Х-А или ХА.

Так, изотоп урана с массовым числом 238 может быть записан в виде U-238 или U238. Иногда в записи указывается и атомный номер Z:ХAZ. Например, U23892.

Для устойчивости ядра необходимо, чтобы отношение числа нейтронов к числу протонов (т. е. (А—Z)/ Z ) в этом ядре лежало в определенных пределах. С ростом массового числа это отношение (в области устойчивости до Z=81) постепенно растет от 1 до 1,56. Для U23892  оно равно (238—92)/ 92 = 1,59. Существует верхняя и нижняя граница устойчивости для отношения числа нейтронов к числу протонов в ядре. Верхняя граница определяется способностью нейтронов преодолевать электрическое отталкивание протонов, которое быстро увеличивается с увеличением атомного номера (как Z2* А -1/3 ). Нижняя граница возникает вследствие того, что увеличивающееся число протонов в свою очередь приводит к неустойчивости вследствие электростатического отталкивания.

Таким образом, природные элементы с большими массовыми числами, такие, как полоний (200- 218), торий (223-235), радий (213—230) и уран (227-240), имеют только неустойчивые или радиоактивные изотопы. Этим веществам свойственны спонтанные превращения, которые обычно называют радиоактивным распадом. Почти все элементы с  атомным номером Z, меньшим, чем у таллия (Z=81), в природе встречаются в виде устойчивых изотопов.

Неустойчивые ядра переходят в устойчивое состояние после одного или серии следующих друг за другом радиоактивных превращений. При этом ядро испускает

электрически заряженную частицу: а-частицу (ядро гелия) или В-частицу (электрон, позитрон). После испускания заряженных частиц большинство дочерних ядер некоторое время (~ 10-15 сек.) находится в возбужденном состоянии и освобождает избыток энергии (энергии возбуждения) в виде у-излучения. Если ядра содержат больше нейтронов, чем это требуется для устойчивости, то в этих ядрах происходит спонтанное превращение нейтронов в протоны с испусканием отрицательных В-частиц (электронов), При этом атомный номер дочернего элемента становится на единицу выше, чем у исходного (материнского), а массовое число не меняется. Если ядра содержат избыток протонов, наблюдается спонтанное превращение протонов в нейтроны с испусканием положительных В-частиц (позитронов).

При этом атомный номер дочернего элемента становится на единицу меньше, чем у материнского, а массовое число не меняется.

Другие два типа ядерных превращений — а-распад и К-захват — характеризуются: первый — испусканием а-частицы (ядра гелия, состоящего из двух протонов и

двух нейтронов), второй — захватом орбитального электрона (процесс, обратный испусканию ядром позитрона).

Ядерная энергия, освобождаемая при радиоактивном распаде, измеряется энергией испускаемых частиц. Она достигает нескольких миллионов электрон-вольт (Мэв).

Потенциальные энергетические ресурсы каждого ядра определяются энергией связи частиц в ядре, эквивалентной дефекту массы: Е=mс2, где Е — энергия, эквивалентная массе m, а с — скорость света. Отношение энергии связи ядра к массовому числу представляет среднее значение энергии связи на один нуклон (нейтрон или протон) в данном ядре.

За исключением небольшого числа легких ядер (до кислорода) значение средней энергии связи на один один нуклон остается в широких пределах почти постоянным

и близким к 8 Мэв. По этому полная энергия связи для этих ядер приблизительно прямо пропорциональна массовому числу А, т. е. Общему числу протонов и нейтронов в ядре. Освобождение даже десятой доли этой энергии в каждом акте распада таких ядер, как уран (А=238), представляет весьма внушительную величину (~200 Мэв).

Уран как один из неустойчивых природных элементов привлёк внимание тем, что, кроме обычного радиоактивного распада с испусканием а и в-частиц и y-квантов, ядра некоторых его изотопов распадаются путём деления.

Из книги:

ЗАЩИТА ОТ РАДИОАКТИВНЫХ ОСАДКОВ под редакцией А.И.Бурназяна

Р.В, Петров, В.Н. Правецкий, Ю.С. Степанов, М.И. Шальнов

Государственное издательство медицинской литературы Москва -1963

Ссылка на основную публикацию