परमाणु विखंडन प्रतिक्रियाएं।

प्राथमिक कणों के साथ या एक दूसरे के साथ बातचीत करते समय नाभिक के परिवर्तन को परमाणु प्रतिक्रिया कहा जाता है।नाभिक की संरचना और उनके गुणों के अध्ययन के लिए नाभिकीय अभिक्रियाएँ मुख्य विधि हैं। परमाणु प्रतिक्रियाएं संरक्षण के नियमों का पालन करती हैं: विद्युत आवेश, बेरियन आवेश, लेप्टन आवेश, ऊर्जा, संवेगआदि। उदाहरण के लिए, बेरियन चार्ज के संरक्षण के नियम को इस तथ्य तक कम कर दिया जाता है कि परिणामस्वरूप न्यूक्लियॉन की कुल संख्या में परिवर्तन नहीं होता है परमाणु प्रतिक्रिया.

परमाणु प्रतिक्रियाएं ऊर्जा की रिहाई या अवशोषण के साथ आगे बढ़ सकती हैं क्यू, जो रासायनिक प्रतिक्रियाओं की ऊर्जा का 10 6 गुना है। अगर क्यू> 0 ऊर्जा निकलती है (उष्माक्षेपी प्रतिक्रिया) उदाहरण के लिए,

पर क्यू < 0 – поглощение энергии (ऊष्माशोषी अभिक्रिया) उदाहरण के लिए,

परमाणु प्रतिक्रियाओं की विशेषता है प्रतिक्रिया के लिए प्रभावी क्रॉस सेक्शन(यदि केंद्रक की त्रिज्या कण के डी ब्रोग्ली तरंगदैर्घ्य से अधिक है)।

परमाणु प्रतिक्रिया उपज W- एक परमाणु प्रतिक्रिया D . के कृत्यों की संख्या का अनुपात एनकणों की संख्या के लिए एनलक्ष्य के 1 सेमी 2 पर गिरना, अर्थात।

,

कहां एन- नाभिक की सांद्रता।

कम ऊर्जा पर कई परमाणु प्रतिक्रियाएं गठन के चरण से गुजरती हैं यौगिक कोर... तो, एक न्यूट्रॉन के लिए 10 7 मीटर / सेकंड की गति से नाभिक के माध्यम से उड़ान भरने के लिए, t = 10 -22 s के क्रम के समय की आवश्यकता होती है। प्रतिक्रिया समय 10-16-10-12 सेकेंड या (10 6-10 10) टी है। इसका मतलब है कि नाभिक में बड़ी संख्या में टकराव होंगे और एक मध्यवर्ती अवस्था का निर्माण होगा - एक यौगिक नाभिक। विशेषता समय t का उपयोग कर्नेल में होने वाली प्रक्रियाओं का विश्लेषण करने के लिए किया जाता है।

जैसे-जैसे न्यूट्रॉन वेग घटता है, नाभिक के साथ इसके संपर्क का समय और नाभिक द्वारा इसके कब्जा करने की संभावना बढ़ जाती है, क्योंकि प्रभावी क्रॉस सेक्शन कण वेग () के व्युत्क्रमानुपाती होता है। यदि न्यूट्रॉन और प्रारंभिक नाभिक की कुल ऊर्जा यौगिक नाभिक के ऊर्जा बैंड के स्थान के क्षेत्र में निहित है, तो यौगिक नाभिक के अर्ध-स्थिर ऊर्जा स्तर के गठन की संभावना विशेष रूप से अधिक है। ऐसी कण ऊर्जा पर परमाणु प्रतिक्रियाओं के लिए क्रॉस सेक्शन तेजी से बढ़ता है, जिससे अनुनाद मैक्सिमा बनता है। ऐसे मामलों में, परमाणु प्रतिक्रियाओं को कहा जाता है गुंजयमान... थर्मल (धीमी) न्यूट्रॉन कैप्चर के लिए गुंजयमान क्रॉस सेक्शन ( के.टी.»0.025 eV) नाभिक के ज्यामितीय क्रॉस सेक्शन का ~ 10 6 गुना हो सकता है

एक कण के पकड़ने के बाद, यौगिक नाभिक ~ 10 - 14 s के लिए उत्तेजित अवस्था में होता है, फिर एक कण का उत्सर्जन करता है। एक यौगिक नाभिक के रेडियोधर्मी क्षय के कई चैनल संभव हैं। एक प्रतिस्पर्धी प्रक्रिया भी संभव है - विकिरण पर कब्जा, जब कण नाभिक द्वारा कब्जा कर लिया जाता है, तो यह एक उत्तेजित अवस्था में गुजरता है, फिर, जी-क्वांटम उत्सर्जित करके, जमीनी अवस्था में चला जाता है। इस मामले में, एक यौगिक कोर भी बनाया जा सकता है।

नाभिक (प्रोटॉन) के धनावेशित कणों के बीच कूलम्ब प्रतिकर्षण बल बढ़ावा नहीं देते, लेकिन इन कणों को नाभिक से बाहर निकलने से रोकते हैं। यह प्रभाव के साथ करना है केन्द्रापसारक बाधा... यह इस तथ्य से समझाया गया है कि सकारात्मक ऊर्जा प्रतिकारक शक्तियों से मेल खाती है। यह कूलम्ब संभावित अवरोध की ऊंचाई और चौड़ाई को बढ़ाता है। किसी धनावेशित कण का नाभिक से बाहर निकलना है उप-अवरोध प्रक्रिया... संभावित अवरोध जितना ऊँचा और चौड़ा होगा, उसके होने की संभावना उतनी ही कम होगी। यह मध्यम और भारी नाभिक के लिए विशेष रूप से महत्वपूर्ण है।

उदाहरण के लिए, यूरेनियम समस्थानिक का नाभिक, एक न्यूट्रॉन पर कब्जा करके, एक यौगिक नाभिक बनाता है, जो तब दो भागों में विभाजित हो जाता है। कूलम्ब प्रतिकर्षण बलों की कार्रवाई के तहत, ये भाग ~ 200 MeV की उच्च गतिज ऊर्जा के साथ उड़ जाते हैं, क्योंकि इस मामले में विद्युत बल आकर्षण के परमाणु बलों से अधिक हो जाते हैं। इस मामले में, टुकड़े रेडियोधर्मी हैं और उत्तेजित अवस्था में हैं। जमीनी अवस्था से गुजरते हुए, वे शीघ्र और विलंबित न्यूट्रॉन, साथ ही जी-क्वांटा और अन्य कणों का उत्सर्जन करते हैं। उत्सर्जित न्यूट्रॉन को द्वितीयक कहा जाता है।

विखंडन के दौरान छोड़े गए सभी नाभिकों में से, ~ 99% न्यूट्रॉन तुरंत निकल जाते हैं, और विलंबित न्यूट्रॉन का अंश ~ 0.75% है। इसके बावजूद, परमाणु ऊर्जा इंजीनियरिंग में विलंबित न्यूट्रॉन का उपयोग किया जाता है, क्योंकि वे एक को बनाने की अनुमति देते हैं नियंत्रित परमाणु प्रतिक्रिया... सबसे अधिक संभावना है, यूरेनियम को टुकड़ों में विभाजित किया गया है, जिनमें से एक दूसरे की तुलना में लगभग डेढ़ गुना भारी है। यह परमाणु न्यूट्रॉन के गोले के प्रभाव से समझाया गया है, क्योंकि यह एक नाभिक को विभाजित करने के लिए ऊर्जावान रूप से अधिक अनुकूल है ताकि प्रत्येक टुकड़े में न्यूट्रॉन की संख्या जादुई संख्याओं में से एक के करीब हो - 50 या 82। ऐसे टुकड़े हो सकते हैं , उदाहरण के लिए, नाभिक और।

स्थितिज ऊर्जा के अधिकतम मान के बीच का अंतर ई पी(आर) और स्थिर नाभिक के लिए इसका मान कहलाता है सक्रियण ऊर्जा... इसलिए, एक नाभिक के विखंडन के लिए, इसे एक ऊर्जा प्रदान करना आवश्यक है जो सक्रियण ऊर्जा से कम नहीं है। यह ऊर्जा न्यूट्रॉन द्वारा लाई जाती है, जिसके अवशोषण पर उत्तेजित यौगिक नाभिक बनते हैं।

अध्ययनों से पता चला है कि आइसोटोप के नाभिक थर्मल, न्यूट्रॉन सहित किसी को भी कैप्चर करने के बाद विखंडन से गुजरते हैं। यूरेनियम समस्थानिक के विखंडन के लिए 1 MeV से अधिक ऊर्जा वाले तीव्र न्यूट्रॉन की आवश्यकता होती है। नाभिक के व्यवहार में यह अंतर न्यूक्लियॉन पेयरिंग के प्रभाव से जुड़ा है।

बाहरी उत्तेजना की अनुपस्थिति में रेडियोधर्मी नाभिक का सहज विखंडन, जो 1940 में देखा गया था, भी संभव है। इस मामले में, टनलिंग प्रभाव के परिणामस्वरूप संभावित अवरोध के माध्यम से विखंडन उत्पादों के रिसने से एक नाभिक का विखंडन हो सकता है। कुछ शर्तों के तहत, एक यौगिक नाभिक के माध्यम से आगे बढ़ने वाली परमाणु प्रतिक्रियाओं की एक अन्य विशेषता, एक मिश्रित नाभिक के क्षय के दौरान बनने वाले बिखरने वाले कणों के कोणीय वितरण के केंद्र-द्रव्यमान प्रणाली में समरूपता है।

प्रत्यक्ष परमाणु प्रतिक्रियाएं भी संभव हैं, उदाहरण के लिए,

जिसका उपयोग न्यूट्रॉन प्राप्त करने के लिए किया जाता है।

भारी नाभिक के विखंडन के दौरान, प्रत्येक विखंडनीय नाभिक के लिए औसतन ~ 200 MeV के बराबर एक ऊर्जा निकलती है, जिसे कहा जाता है परमाणु या परमाणु ऊर्जा... ऐसी ऊर्जा प्राप्त होती है परमाणु रिएक्टर.

प्राकृतिक यूरेनियम में 99.3% आइसोटोप और 0.7% आइसोटोप होता है, जो परमाणु ईंधन है। यूरेनियम और थोरियम के समस्थानिक कच्चे माल हैं जिनसे समस्थानिक और समस्थानिक कृत्रिम रूप से प्राप्त किए जाते हैं, जो परमाणु ईंधन भी होते हैं और प्रकृति में अपनी प्राकृतिक अवस्था में नहीं होते हैं। प्लूटोनियम का एक समस्थानिक प्राप्त होता है, उदाहरण के लिए, प्रतिक्रिया में

यूरेनियम समस्थानिक प्राप्त होता है, उदाहरण के लिए, प्रतिक्रिया में

कहां मतलब प्रतिक्रिया

.
नाभिक के समस्थानिक और केवल तेज न्यूट्रॉन द्वारा ऊर्जा> 1 MeV के साथ विखंडित होते हैं।

एक विखंडनीय नाभिक की विशेषता वाली एक महत्वपूर्ण मात्रा माध्यमिक न्यूट्रॉन की औसत संख्या है, जिसके लिए विखंडन श्रृंखला प्रतिक्रिया परमाणु नाभिककम से कम 1 होना चाहिए। परमाणु नाभिक की ऐसी प्रतिक्रियाओं में, न्यूट्रॉन पुन: उत्पन्न होते हैं।

श्रृंखला अभिक्रियाव्यावहारिक रूप से समृद्ध यूरेनियम पर किया गया परमाणु रिएक्टर... समृद्ध यूरेनियम में, आइसोटोप पृथक्करण द्वारा यूरेनियम समस्थानिक की सामग्री को 2-5% तक लाया गया है। विखंडनीय सामग्री द्वारा कब्जा किए गए आयतन को कहा जाता है सक्रिय क्षेत्ररिएक्टर। प्राकृतिक यूरेनियम के लिए, थर्मल न्यूट्रॉन गुणन कारक है क= 1.32. तेज न्यूट्रॉन की गति को थर्मल वाले की गति तक कम करने के लिए, मॉडरेटर (ग्रेफाइट, पानी, बेरिलियम, आदि) का उपयोग किया जाता है।

मौजूद विभिन्न प्रकारउद्देश्य और क्षमता के आधार पर परमाणु रिएक्टर। उदाहरण के लिए, नए ट्रांसयूरेनियम तत्व आदि प्राप्त करने के लिए प्रायोगिक रिएक्टर।

वर्तमान में, परमाणु ऊर्जा का उपयोग करता है ब्रीडर रिएक्टर (ब्रीडर रिएक्टर),जिसमें न केवल ऊर्जा उत्पादन होता है, बल्कि विखंडनीय पदार्थ का विस्तारित प्रजनन भी होता है। वे यूरेनियम समस्थानिक की पर्याप्त उच्च सामग्री (30% तक) के साथ समृद्ध यूरेनियम का उपयोग करते हैं।

ऐसे रिएक्टर- प्रजनकपरमाणु ऊर्जा संयंत्रों में ऊर्जा उत्पन्न करने के लिए उपयोग किया जाता है। परमाणु ऊर्जा संयंत्रों का मुख्य नुकसान रेडियोधर्मी कचरे का संचय है। हालांकि, कोयले से चलने वाले बिजली संयंत्रों की तुलना में, परमाणु ऊर्जा संयंत्र अधिक पर्यावरण के अनुकूल हैं।

1939 में जर्मन वैज्ञानिकों ओटो हैन और फ्रिट्ज स्ट्रैसमैन द्वारा न्यूट्रॉन के साथ बमबारी करके यूरेनियम नाभिक के विखंडन की खोज की गई थी।

ओटो गण (1879-1968)
रेडियोकैमिस्ट्री के क्षेत्र में जर्मन भौतिक विज्ञानी, वैज्ञानिक-प्रर्वतक। खोजे गए यूरेनियम विखंडन, कई रेडियोधर्मी तत्व

फ़्रिट्ज़ स्ट्रैसमैन (1902-1980)
जर्मन भौतिक विज्ञानी और रसायनज्ञ। कार्य परमाणु रसायन विज्ञान, परमाणु विखंडन से संबंधित हैं। विखंडन प्रक्रिया को रासायनिक प्रमाण दिया

आइए इस घटना के तंत्र पर विचार करें। चित्र 162, पारंपरिक रूप से यूरेनियम परमाणु के नाभिक को दर्शाता है। एक अतिरिक्त न्यूट्रॉन को अवशोषित करने के बाद, नाभिक उत्तेजित और विकृत हो जाता है, एक लम्बी आकृति प्राप्त करता है (चित्र। 162, बी)।

चावल। 162. एक न्यूट्रॉन के प्रभाव में यूरेनियम नाभिक के विखंडन की प्रक्रिया जो उसमें गिर गई

आप पहले से ही जानते हैं कि नाभिक में दो प्रकार के बल कार्य करते हैं: प्रोटॉन के बीच इलेक्ट्रोस्टैटिक प्रतिकर्षण बल, जो नाभिक को तोड़ते हैं, और सभी नाभिकों के बीच आकर्षण के परमाणु बल, जिसके कारण नाभिक विघटित नहीं होता है। लेकिन परमाणु बल कम दूरी के होते हैं, इसलिए, एक लंबे नाभिक में, वे अब नाभिक के उन हिस्सों को नहीं पकड़ सकते हैं जो एक दूसरे से बहुत दूर हैं। इलेक्ट्रोस्टैटिक प्रतिकर्षण बलों की कार्रवाई के तहत, नाभिक दो भागों में टूट जाता है (चित्र 162, सी), जो अलग होकर उड़ते हैं विभिन्न पक्षबड़ी गति से और 2-3 न्यूट्रॉन उत्सर्जित करते हैं।

यह पता चला है कि नाभिक की आंतरिक ऊर्जा का हिस्सा बिखरने वाले टुकड़ों और कणों की गतिज ऊर्जा में परिवर्तित हो जाता है। पर्यावरण में टुकड़े तेजी से कम हो जाते हैं, जिसके परिणामस्वरूप उनकी गतिज ऊर्जा माध्यम की आंतरिक ऊर्जा में परिवर्तित हो जाती है (यानी, इसके घटक कणों की बातचीत और थर्मल गति की ऊर्जा में)।

विभाजित करते समय एक लंबी संख्यायूरेनियम नाभिक की, यूरेनियम के आसपास के वातावरण की आंतरिक ऊर्जा और, तदनुसार, इसका तापमान स्पष्ट रूप से बढ़ जाता है (अर्थात, पर्यावरण गर्म हो जाता है)।

इस प्रकार, यूरेनियम नाभिक की विखंडन प्रतिक्रिया ऊर्जा की रिहाई के साथ आगे बढ़ती है वातावरण.

परमाणुओं के नाभिक में निहित ऊर्जा विशाल है। उदाहरण के लिए, 1 ग्राम यूरेनियम में उपलब्ध सभी नाभिकों के पूर्ण विखंडन के साथ, ऊर्जा की उतनी ही मात्रा जारी की जाएगी जितनी 2.5 टन तेल के दहन के दौरान जारी की जाती है। परमाणु ऊर्जा संयंत्रों में परमाणु नाभिक की आंतरिक ऊर्जा को विद्युत ऊर्जा में परिवर्तित करने के लिए, तथाकथित परमाणु विखंडन श्रृंखला प्रतिक्रियाएं.

आइए हम यूरेनियम समस्थानिक नाभिक के विखंडन की श्रृंखला प्रतिक्रिया के तंत्र पर विचार करें। यूरेनियम परमाणु का नाभिक (चित्र 163), एक न्यूट्रॉन पर कब्जा करने के परिणामस्वरूप, तीन न्यूट्रॉन उत्सर्जित करते हुए दो भागों में विभाजित हो जाता है। इनमें से दो न्यूट्रॉन ने दो और नाभिकों की विखंडन प्रतिक्रिया को ट्रिगर किया, जिसमें चार न्यूट्रॉन पहले से ही बन रहे थे। ये, बदले में, चार नाभिकों के विखंडन का कारण बने, जिसके बाद नौ न्यूट्रॉन बने, आदि।

श्रृंखला प्रतिक्रिया इस तथ्य के कारण संभव है कि प्रत्येक नाभिक के विखंडन के दौरान 2-3 न्यूट्रॉन बनते हैं, जो अन्य नाभिकों के विखंडन में भाग ले सकते हैं।

चित्र 163 एक श्रृंखला प्रतिक्रिया का आरेख दिखाता है जिसमें यूरेनियम के एक टुकड़े में मुक्त न्यूट्रॉन की कुल संख्या समय के साथ हिमस्खलन की तरह बढ़ जाती है। तदनुसार, परमाणु विखंडन की संख्या और समय की प्रति इकाई जारी ऊर्जा में तेजी से वृद्धि होती है। इसलिए, ऐसी प्रतिक्रिया विस्फोटक होती है (यह परमाणु बम में होती है)।

चावल। 163. यूरेनियम नाभिक के विखंडन की श्रृंखला प्रतिक्रिया

एक अन्य विकल्प संभव है, जिसमें समय के साथ मुक्त न्यूट्रॉनों की संख्या घटती जाती है। इस मामले में, श्रृंखला प्रतिक्रिया बंद हो जाती है। इसलिए, ऐसी प्रतिक्रिया का उपयोग बिजली उत्पन्न करने के लिए भी नहीं किया जा सकता है।

शांतिपूर्ण उद्देश्यों के लिए, केवल ऐसी श्रृंखला प्रतिक्रिया की ऊर्जा का उपयोग करना संभव है जिसमें समय के साथ न्यूट्रॉन की संख्या नहीं बदलती है।

हम यह कैसे सुनिश्चित कर सकते हैं कि न्यूट्रॉनों की संख्या हर समय स्थिर रहे? इस समस्या को हल करने के लिए, आपको यह जानना होगा कि यूरेनियम के एक टुकड़े में मुक्त न्यूट्रॉन की कुल संख्या में वृद्धि और कमी को कौन से कारक प्रभावित करते हैं जिसमें एक श्रृंखला प्रतिक्रिया होती है।

इन कारकों में से एक यूरेनियम का द्रव्यमान है। तथ्य यह है कि परमाणु विखंडन के दौरान उत्सर्जित प्रत्येक न्यूट्रॉन अन्य नाभिकों के विखंडन का कारण नहीं बनता है (चित्र 163 देखें)। यदि यूरेनियम के एक टुकड़े का द्रव्यमान (और, तदनुसार, आकार) बहुत छोटा है, तो कई न्यूट्रॉन इससे बाहर निकल जाएंगे, इसके रास्ते में नाभिक से मिलने का समय नहीं होगा, इसके विखंडन का कारण होगा और इस तरह एक नए को जन्म देगा प्रतिक्रिया की निरंतरता के लिए आवश्यक न्यूट्रॉन की पीढ़ी। इस मामले में, श्रृंखला प्रतिक्रिया बंद हो जाएगी। प्रतिक्रिया के रुकने के लिए, यूरेनियम के द्रव्यमान को एक निश्चित मान तक बढ़ाना आवश्यक है, जिसे कहा जाता है नाजुक.

बढ़ते द्रव्यमान के साथ श्रृंखला अभिक्रिया क्यों संभव हो जाती है? एक टुकड़े का द्रव्यमान जितना अधिक होता है, उसके आयाम उतने ही बड़े होते हैं और जिस पथ में न्यूट्रॉन चलते हैं वह उतना ही लंबा होता है। इस मामले में, न्यूट्रॉन के नाभिक के साथ टकराव की संभावना बढ़ जाती है। तदनुसार, परमाणु विखंडन की संख्या और उत्सर्जित न्यूट्रॉन की संख्या में वृद्धि होती है।

यूरेनियम के क्रांतिक द्रव्यमान पर, नाभिकीय विखंडन द्वारा उत्पन्न न्यूट्रॉनों की संख्या हो जाती है संख्या के बराबरखोए हुए न्यूट्रॉन (यानी, बिना विखंडन के नाभिक द्वारा कब्जा कर लिया और टुकड़े से बच निकला)।

इसलिए, उनकी कुल संख्या अपरिवर्तित रहती है। इस मामले में, श्रृंखला प्रतिक्रिया लंबे समय तक, बिना रुके और विस्फोटक चरित्र प्राप्त किए बिना चल सकती है।

• यूरेनियम का सबसे छोटा द्रव्यमान जिस पर श्रृंखला प्रतिक्रिया संभव है, क्रांतिक द्रव्यमान कहलाता है।

यदि यूरेनियम द्रव्यमान महत्वपूर्ण से अधिक है, तो मुक्त न्यूट्रॉन की संख्या में तेज वृद्धि के परिणामस्वरूप, श्रृंखला प्रतिक्रिया एक विस्फोट की ओर ले जाती है, और यदि यह महत्वपूर्ण से कम है, तो प्रतिक्रिया आगे नहीं बढ़ती है मुक्त न्यूट्रॉन की कमी के कारण

न केवल यूरेनियम के द्रव्यमान को बढ़ाकर, बल्कि एक विशेष परावर्तक खोल का उपयोग करके भी न्यूट्रॉन के नुकसान को कम किया जा सकता है। इसके लिए यूरेनियम का एक टुकड़ा एक ऐसे पदार्थ से बने खोल में रखा जाता है जो न्यूट्रॉन को अच्छी तरह से परावर्तित करता है (उदाहरण के लिए, बेरिलियम)। इस खोल से परावर्तित होकर, न्यूट्रॉन यूरेनियम में लौट आते हैं और परमाणु विखंडन में भाग ले सकते हैं।

ऐसे कई और कारक हैं जिन पर श्रृंखला प्रतिक्रिया की संभावना निर्भर करती है। उदाहरण के लिए, यदि यूरेनियम के एक टुकड़े में अन्य रासायनिक तत्वों की बहुत अधिक अशुद्धियाँ हैं, तो वे अवशोषित कर लेते हैं अधिकांशन्यूट्रॉन और प्रतिक्रिया बंद हो जाती है।

यूरेनियम में एक तथाकथित न्यूट्रॉन मॉडरेटर की उपस्थिति भी प्रतिक्रिया के पाठ्यक्रम को प्रभावित करती है। तथ्य यह है कि धीमी न्यूट्रॉन के प्रभाव में यूरेनियम -235 नाभिक के विखंडन की सबसे अधिक संभावना है। और नाभिक के विखंडन के दौरान तेज न्यूट्रॉन बनते हैं। यदि तेज न्यूट्रॉन को धीमा कर दिया जाता है, तो उनमें से अधिकांश को यूरेनियम -235 नाभिक द्वारा कब्जा कर लिया जाएगा, इसके बाद इन नाभिकों का विखंडन होगा। ग्रेफाइट, पानी, भारी पानी (जिसमें ड्यूटेरियम, 2 की द्रव्यमान संख्या वाला हाइड्रोजन का एक समस्थानिक शामिल है) और कुछ अन्य जैसे पदार्थ मॉडरेटर के रूप में उपयोग किए जाते हैं। ये पदार्थ केवल उन्हें अवशोषित किए बिना, केवल न्यूट्रॉन को धीमा कर देते हैं।

इस प्रकार, एक श्रृंखला प्रतिक्रिया की संभावना यूरेनियम के द्रव्यमान, इसमें अशुद्धियों की मात्रा, एक खोल और एक मॉडरेटर की उपस्थिति और कुछ अन्य कारकों से निर्धारित होती है।

यूरेनियम-235 के एक गोलाकार टुकड़े का क्रांतिक द्रव्यमान लगभग 50 किग्रा है। इसके अलावा, इसकी त्रिज्या केवल 9 सेमी है, क्योंकि यूरेनियम का घनत्व बहुत अधिक है।

मॉडरेटर और परावर्तक खोल का उपयोग करके और अशुद्धियों की मात्रा को कम करके, यूरेनियम के महत्वपूर्ण द्रव्यमान को 0.8 किलोग्राम तक कम करना संभव है।

प्रशन

1. एक नाभिक का विखंडन तभी क्यों शुरू हो सकता है जब वह अपने द्वारा अवशोषित न्यूट्रॉन की क्रिया के तहत विकृत हो जाता है?
2. परमाणु विखंडन के परिणामस्वरूप क्या बनता है?
3. नाभिक की आंतरिक ऊर्जा का एक भाग विखंडन के दौरान किस ऊर्जा में जाता है; पर्यावरण में मंदी के दौरान यूरेनियम नाभिक के टुकड़ों की गतिज ऊर्जा?
4. यूरेनियम नाभिक की विखंडन प्रतिक्रिया कैसे आगे बढ़ती है - पर्यावरण में ऊर्जा की रिहाई के साथ या इसके विपरीत, ऊर्जा के अवशोषण के साथ?
5. चित्र 163 की सहायता से श्रृंखला अभिक्रिया की क्रियाविधि समझाइए।
6. यूरेनियम का क्रांतिक द्रव्यमान क्या कहलाता है?
7. यदि यूरेनियम का द्रव्यमान क्रिटिकल से कम है तो क्या चेन रिएक्शन होना संभव है; अधिक आलोचनात्मक? क्यों?

उद्देश्य: यूरेनियम नाभिक के विखंडन के बारे में छात्रों की समझ बनाना।

• पहले से अध्ययन की गई सामग्री की जाँच करें;
• यूरेनियम नाभिक के विखंडन की क्रियाविधि पर विचार कर सकेंगे;
• एक श्रृंखला प्रतिक्रिया की घटना की स्थिति पर विचार करें;
• श्रृंखला अभिक्रिया को प्रभावित करने वाले कारकों का पता लगा सकेंगे;
• छात्रों के भाषण और सोच को विकसित करना;
• एक निश्चित समय के भीतर अपनी गतिविधियों का विश्लेषण, नियंत्रण और सुधार करने की क्षमता विकसित करना।

उपकरण: कंप्यूटर, प्रोजेक्शन सिस्टम, डिडक्टिक मटीरियल (टेस्ट "कोर कंपोजिशन"), डिस्क "इंटरएक्टिव कोर्स। भौतिकी 7-11kl ”(फ़िज़िकॉन) और“ 1C-पुनरावर्तक। भौतिकी ”(1C)।

पाठ का कोर्स

I. संगठनात्मक क्षण (2 ')।

नमस्ते, पाठ योजना की घोषणा।

द्वितीय. पहले अध्ययन की गई सामग्री की पुनरावृत्ति (8 ')।

छात्रों का स्वतंत्र कार्य - परीक्षण करना ( परिशिष्ट 1 ) परीक्षण को एक सही उत्तर का संकेत देना चाहिए।

III. नई सामग्री का अध्ययन (25 ')। पाठ के दौरान, हम एक सारांश बनाते हैं(परिशिष्ट 2 ).

हमने हाल ही में सीखा है कि रेडियोधर्मी क्षय के दौरान कुछ रासायनिक तत्व अन्य रासायनिक तत्वों में परिवर्तित हो जाते हैं। आपके विचार से क्या होगा यदि एक कण को ​​एक निश्चित रासायनिक तत्व के परमाणु के नाभिक में भेजा जाता है, उदाहरण के लिए, यूरेनियम के नाभिक को एक न्यूट्रॉन? (छात्रों के सुझाव सुनकर)

आइए आपकी धारणाओं की जाँच करें (इंटरैक्टिव मॉडल "न्यूक्लियस विखंडन" के साथ काम करना"इंटरैक्टिव कोर्स। भौतिकी 7-11kl " ).

परिणामस्वरूप क्या हुआ?

- जब एक न्यूट्रॉन यूरेनियम के नाभिक में प्रवेश करता है, तो हम देखते हैं कि इसके परिणामस्वरूप 2 टुकड़े और 2-3 न्यूट्रॉन बनते हैं।

यही प्रभाव 1939 में जर्मन वैज्ञानिकों ओटो हैन और फ्रिट्ज स्ट्रैसमैन द्वारा प्राप्त किया गया था। उन्होंने पाया कि यूरेनियम नाभिक के साथ न्यूट्रॉन की बातचीत के परिणामस्वरूप, रेडियोधर्मी खंड नाभिक दिखाई देते हैं, जिनमें से द्रव्यमान और आवेश यूरेनियम नाभिक की लगभग आधी विशेषताएं हैं। प्राकृतिक रेडियोधर्मी परिवर्तनों के दौरान होने वाले स्वतःस्फूर्त विखंडन के विपरीत, इस तरह से होने वाले परमाणु विखंडन को मजबूर विखंडन कहा जाता है।

नाभिक उत्तेजित हो जाता है और विकृत होने लगता है। कोर 2 भागों में क्यों फट रहा है? टूटना किन बलों के प्रभाव में होता है?

कोर के अंदर कौन सी ताकतें काम कर रही हैं?

- इलेक्ट्रोस्टैटिक और परमाणु।

ठीक है, स्थिरवैद्युत बल स्वयं को कैसे प्रकट करते हैं?

- इलेक्ट्रोस्टैटिक बल आवेशित कणों के बीच कार्य करते हैं। नाभिक में आवेशित कण प्रोटॉन है। चूँकि प्रोटॉन धनावेशित है, इसका अर्थ है कि उनके बीच प्रतिकर्षण बल कार्य करते हैं।

ठीक है, लेकिन परमाणु शक्तियाँ स्वयं को कैसे प्रकट करती हैं?

- परमाणु बल - सभी नाभिकों के बीच आकर्षण बल।

तो, किन बलों के प्रभाव में नाभिक फटता है?

- (यदि कठिनाइयां आती हैं, तो मैं प्रमुख प्रश्न पूछता हूं और छात्रों को सही निष्कर्ष पर ले जाता हूं) इलेक्ट्रोस्टैटिक प्रतिकारक बलों के प्रभाव में, नाभिक दो भागों में टूट जाता है, जो अलग-अलग दिशाओं में उड़ते हैं और 2-3 न्यूट्रॉन का उत्सर्जन करते हैं।

टुकड़े बहुत तेज गति से बिखरे हुए हैं। यह पता चला है कि नाभिक की आंतरिक ऊर्जा का हिस्सा बिखरने वाले टुकड़ों और कणों की गतिज ऊर्जा में परिवर्तित हो जाता है। मलबे को पर्यावरण में छोड़ा जाता है। आपको क्या लगता है कि उनके साथ क्या हो रहा है?

- पर्यावरण में टुकड़े बाधित होते हैं।

ऊर्जा संरक्षण के नियम का उल्लंघन न करने के लिए हमें कहना होगा कि गतिज ऊर्जा का क्या होगा?

- टुकड़ों की गतिज ऊर्जा पर्यावरण की आंतरिक ऊर्जा में परिवर्तित हो जाती है।

क्या आप देख सकते हैं कि पर्यावरण की आंतरिक ऊर्जा बदल गई है?

- हां, वातावरण गर्म हो रहा है।

क्या आंतरिक ऊर्जा में परिवर्तन इस तथ्य से प्रभावित होगा कि विखंडन में विभिन्न संख्या में यूरेनियम नाभिक भाग लेंगे?

- बेशक, बड़ी संख्या में यूरेनियम नाभिक के एक साथ विखंडन के साथ, यूरेनियम पर्यावरण की आंतरिक ऊर्जा बढ़ जाती है।

रसायन विज्ञान के पाठ्यक्रम से, आप जानते हैं कि प्रतिक्रियाएं ऊर्जा के अवशोषण और रिलीज दोनों के साथ हो सकती हैं। यूरेनियम नाभिक की विखंडन प्रतिक्रिया के बारे में हम क्या कह सकते हैं?

- यूरेनियम नाभिक के विखंडन की प्रतिक्रिया पर्यावरण में ऊर्जा की रिहाई के साथ होती है।

परमाणुओं के नाभिक में निहित ऊर्जा विशाल है। उदाहरण के लिए, 1 ग्राम यूरेनियम में उपलब्ध सभी नाभिकों के पूर्ण विखंडन के साथ, ऊर्जा की उतनी ही मात्रा जारी की जाएगी जितनी 2.5 टन तेल के दहन के दौरान जारी की जाती है। पता चला कि शार्क का क्या होगा न्यूट्रॉन कैसे व्यवहार करेंगे?

– (छात्रों की धारणाओं को सुनना, मान्यताओं का परीक्षण करना, इंटरैक्टिव मॉडल "चेन रिएक्शन" के साथ काम करना"1C-पुनरावर्तक। भौतिक विज्ञान" ).

सच है, रास्ते में न्यूट्रॉन यूरेनियम नाभिक से मिल सकते हैं और विखंडन का कारण बन सकते हैं। इस प्रतिक्रिया को चेन रिएक्शन कहा जाता है।

तो चेन रिएक्शन के लिए क्या शर्त है?

- श्रृंखला प्रतिक्रिया इस तथ्य के कारण संभव है कि प्रत्येक नाभिक के विखंडन के दौरान 2-3 न्यूट्रॉन बनते हैं, जो अन्य नाभिकों के विखंडन में भाग ले सकते हैं।

हम देखते हैं कि यूरेनियम के एक टुकड़े में मुक्त न्यूट्रॉन की कुल संख्या समय के साथ हिमस्खलन की तरह बढ़ जाती है। इससे क्या हो सकता है?

- विस्फोट के लिए।

- परमाणु विखंडन की संख्या और, तदनुसार, प्रति इकाई समय में जारी ऊर्जा बढ़ रही है।

लेकिन एक अन्य विकल्प भी संभव है, जिसमें समय के साथ मुक्त न्यूट्रॉनों की संख्या घटती जाती है, नाभिक अपने रास्ते में एक न्यूट्रॉन से नहीं मिला। इस मामले में श्रृंखला अभिक्रिया का क्या होगा?

- रुक जाएगा।

क्या ऐसी प्रतिक्रियाओं की ऊर्जा का उपयोग शांतिपूर्ण उद्देश्यों के लिए किया जा सकता है?

प्रतिक्रिया कैसे आगे बढ़नी चाहिए?

- प्रतिक्रिया को आगे बढ़ना चाहिए ताकि समय के साथ न्यूट्रॉन की संख्या स्थिर रहे।

हम यह कैसे सुनिश्चित कर सकते हैं कि न्यूट्रॉनों की संख्या हर समय स्थिर रहे?

- (लोगों से सुझाव)

इस समस्या को हल करने के लिए, आपको यह जानना होगा कि यूरेनियम के एक टुकड़े में मुक्त न्यूट्रॉन की कुल संख्या में वृद्धि और कमी को कौन से कारक प्रभावित करते हैं जिसमें एक श्रृंखला प्रतिक्रिया होती है।

इन कारकों में से एक है यूरेनियम द्रव्यमान ... मुद्दा यह है कि परमाणु विखंडन के दौरान उत्सर्जित प्रत्येक न्यूट्रॉन अन्य नाभिकों के विखंडन का कारण नहीं बनता है। यदि यूरेनियम के एक टुकड़े का द्रव्यमान (और, तदनुसार, आकार) बहुत छोटा है, तो कई न्यूट्रॉन इससे बाहर निकल जाएंगे, इसके रास्ते में नाभिक से मिलने का समय नहीं होगा, इसके विखंडन का कारण होगा और इस तरह एक नए को जन्म देगा प्रतिक्रिया की निरंतरता के लिए आवश्यक न्यूट्रॉन की पीढ़ी। इस मामले में, श्रृंखला प्रतिक्रिया बंद हो जाएगी। प्रतिक्रिया के रुकने के लिए, यूरेनियम के द्रव्यमान को एक निश्चित मान तक बढ़ाना आवश्यक है, जिसे कहा जाता है नाजुक.

बढ़ते द्रव्यमान के साथ श्रृंखला अभिक्रिया क्यों संभव हो जाती है?

- टुकड़े का द्रव्यमान जितना अधिक होगा, न्यूट्रॉन के नाभिक के साथ टकराव की संभावना उतनी ही अधिक होगी। तदनुसार, परमाणु विखंडन की संख्या और उत्सर्जित न्यूट्रॉन की संख्या में वृद्धि होती है।

यूरेनियम के एक निश्चित तथाकथित महत्वपूर्ण द्रव्यमान पर, नाभिक के विखंडन से उत्पन्न न्यूट्रॉन की संख्या खोए हुए न्यूट्रॉन की संख्या के बराबर हो जाती है (यानी, बिना विखंडन के नाभिक द्वारा कब्जा कर लिया और गांठ से बच गया)।

इसलिए, उनकी कुल संख्या अपरिवर्तित रहती है। इस मामले में, श्रृंखला प्रतिक्रिया लंबे समय तक, बिना रुके और विस्फोटक चरित्र प्राप्त किए बिना चल सकती है।

यूरेनियम का सबसे छोटा द्रव्यमान जिस पर श्रृंखला प्रतिक्रिया संभव है, क्रांतिक द्रव्यमान कहलाता है।

यदि यूरेनियम का द्रव्यमान क्रांतिक द्रव्यमान से अधिक हो तो अभिक्रिया कैसे आगे बढ़ेगी?

- मुक्त न्यूट्रॉन की संख्या में तेज वृद्धि के परिणामस्वरूप, श्रृंखला प्रतिक्रिया एक विस्फोट की ओर ले जाती है।

और अगर क्रिटिकल से कम है?

- मुक्त न्यूट्रॉन की कमी के कारण प्रतिक्रिया आगे नहीं बढ़ती है।

न केवल यूरेनियम के द्रव्यमान को बढ़ाकर, बल्कि एक विशेष का उपयोग करके भी न्यूट्रॉन के नुकसान को कम करना संभव है। परावर्तक खोल ... इसके लिए यूरेनियम का एक टुकड़ा एक ऐसे पदार्थ से बने खोल में रखा जाता है जो न्यूट्रॉन को अच्छी तरह से परावर्तित करता है (उदाहरण के लिए, बेरिलियम)। इस खोल से परावर्तित होकर, न्यूट्रॉन यूरेनियम में लौट आते हैं और परमाणु विखंडन में भाग ले सकते हैं।

द्रव्यमान और एक परावर्तक खोल की उपस्थिति के अलावा, कई अन्य कारक हैं जिन पर एक श्रृंखला प्रतिक्रिया की संभावना निर्भर करती है। उदाहरण के लिए, यदि यूरेनियम का एक टुकड़ा शामिल है बहुत अधिक दोष अन्य रासायनिक तत्व, वे अधिकांश न्यूट्रॉन को अवशोषित करते हैं और प्रतिक्रिया बंद हो जाती है।

प्रतिक्रिया के पाठ्यक्रम को प्रभावित करने वाला एक अन्य कारक है उपलब्धता तथाकथित के यूरेनियम में न्यूट्रॉन मॉडरेटर ... तथ्य यह है कि धीमी न्यूट्रॉन के प्रभाव में यूरेनियम -235 नाभिक के विखंडन की सबसे अधिक संभावना है। और नाभिक के विखंडन के दौरान तेज न्यूट्रॉन बनते हैं। यदि तेज न्यूट्रॉन को धीमा कर दिया जाता है, तो उनमें से अधिकांश यूरेनियम -235 नाभिक द्वारा इन नाभिकों के बाद के विखंडन के साथ कब्जा कर लिया जाएगा; ग्रेफाइट, चूल्हा, भारी पानी और कुछ अन्य जैसे पदार्थ मॉडरेटर के रूप में उपयोग किए जाते हैं। ये पदार्थ केवल उन्हें अवशोषित किए बिना, केवल न्यूट्रॉन को धीमा कर देते हैं।

तो, मुख्य कारक क्या हैं जो एक श्रृंखला प्रतिक्रिया के पाठ्यक्रम को प्रभावित कर सकते हैं?

- चेन रिएक्शन की संभावना यूरेनियम के द्रव्यमान, उसमें अशुद्धियों की मात्रा, शेल और मॉडरेटर की उपस्थिति से निर्धारित होती है।

यूरेनियम-235 के एक गोलाकार टुकड़े का क्रांतिक द्रव्यमान लगभग 50 किग्रा है। इसके अलावा, इसकी त्रिज्या केवल 9 सेमी है, क्योंकि यूरेनियम का घनत्व बहुत अधिक है।

एक मॉडरेटर और एक परावर्तक खोल का उपयोग करना, और अशुद्धियों की मात्रा को कम करना, यूरेनियम के महत्वपूर्ण द्रव्यमान को 0.8 किलोग्राम तक कम करना संभव है।

1934 में, ई. फर्मी ने 238 U को न्यूट्रॉन से विकिरणित करके ट्रांसयूरेनियम तत्व प्राप्त करने का निर्णय लिया। ई. फर्मी का विचार था कि 239 यू समस्थानिक के β--क्षय के परिणामस्वरूप, रासायनिक तत्वक्रम संख्या Z = 93 के साथ। हालांकि, 93 वें तत्व के गठन की पहचान करना संभव नहीं था। इसके बजाय, ओ। हैन और एफ। स्ट्रैसमैन द्वारा किए गए रेडियोधर्मी तत्वों के रेडियोकेमिकल विश्लेषण के परिणामस्वरूप, यह दिखाया गया था कि न्यूट्रॉन के साथ यूरेनियम के विकिरण के उत्पादों में से एक बेरियम (जेड = 56) है - औसत का एक रासायनिक तत्व परमाणु भार, जबकि फर्मी सिद्धांत की धारणा के अनुसार ट्रांसयूरानिक तत्व प्राप्त किए जाने थे।
एल. मीटनर और ओ. फ्रिस्क ने सुझाव दिया कि एक यूरेनियम नाभिक द्वारा न्यूट्रॉन पर कब्जा करने के परिणामस्वरूप, यौगिक नाभिक दो भागों में टूट जाता है

92 यू + एन → 56 बा + 36 कर + एक्सएन।

यूरेनियम विखंडन की प्रक्रिया माध्यमिक न्यूट्रॉन (x> 1) की उपस्थिति के साथ होती है जो अन्य यूरेनियम नाभिक के विखंडन का कारण बन सकती है, जो एक श्रृंखला विखंडन प्रतिक्रिया की संभावना को खोलती है - एक न्यूट्रॉन विखंडन की एक शाखित श्रृंखला को जन्म दे सकता है यूरेनियम नाभिक की। इस मामले में, अलग किए गए नाभिकों की संख्या तेजी से बढ़नी चाहिए। एन. बोहर और जे. व्हीलर ने 236 यू नाभिक के लिए आवश्यक महत्वपूर्ण ऊर्जा की गणना की, जो 235 यू आइसोटोप द्वारा न्यूट्रॉन को अलग करने के परिणामस्वरूप बनाई गई थी। यह मान 6.2 MeV है, जो थर्मल न्यूट्रॉन 235 U के कैप्चर के दौरान बनने वाले 236 U समस्थानिक की उत्तेजना ऊर्जा से कम है। इसलिए, थर्मल न्यूट्रॉन को पकड़ने के दौरान 235 U की विखंडन श्रृंखला प्रतिक्रिया संभव है। अधिकांश के लिए सामान्य समस्थानिक 238 U, क्रांतिक ऊर्जा 5.9 MeV है, जबकि एक थर्मल न्यूट्रॉन को पकड़ने में, गठित 239 U नाभिक की उत्तेजना ऊर्जा केवल 5.2 MeV है। इसलिए, थर्मल न्यूट्रॉन के प्रभाव में प्रकृति में सबसे व्यापक 238 यू आइसोटोप की विखंडन श्रृंखला प्रतिक्रिया असंभव हो जाती है। विखंडन के एक कार्य में, ≈200 MeV की ऊर्जा निकलती है (तुलना के लिए, in . में) रसायनिक प्रतिक्रियादहन, ऊर्जा प्रतिक्रिया के एक कार्य में जारी की जाती है 10 ईवी)। विखंडन की एक श्रृंखला प्रतिक्रिया के लिए स्थितियां बनाने की संभावनाओं ने एक श्रृंखला प्रतिक्रिया की ऊर्जा का उपयोग करने के लिए संभावनाओं को खोल दिया परमाणु रिएक्टरतथा परमाणु हथियार... पहला परमाणु रिएक्टर 1942 में यूएसए में ई। फर्मी द्वारा बनाया गया था। यूएसएसआर में, 1946 में आई। कुरचटोव के नेतृत्व में पहला परमाणु रिएक्टर लॉन्च किया गया था। 1954 में, ओबनिंस्क में दुनिया का पहला परमाणु ऊर्जा संयंत्र संचालित होना शुरू हुआ। वर्तमान में, दुनिया भर के 30 देशों में लगभग 440 परमाणु रिएक्टरों में विद्युत ऊर्जा उत्पन्न होती है।
1940 में जी. फ्लेरोव और के. पेट्रझाक ने यूरेनियम के स्वतःस्फूर्त विखंडन की खोज की। निम्नलिखित आंकड़े प्रयोग की जटिलता को दर्शाते हैं। 238 यू आइसोटोप के सहज विखंडन के संबंध में आंशिक आधा जीवन 10 16-10 17 वर्ष है, जबकि 238 यू आइसोटोप की क्षय अवधि 4.5 10 9 वर्ष है। 238 यू आइसोटोप का मुख्य क्षय चैनल α-क्षय है। 238 यू समस्थानिक के सहज विखंडन का निरीक्षण करने के लिए, 10 7-10 8 α-क्षय घटनाओं की पृष्ठभूमि के खिलाफ एक विखंडन घटना को पंजीकृत करना आवश्यक था।
सहज विखंडन की संभावना मुख्य रूप से विखंडन अवरोध की पारगम्यता से निर्धारित होती है। नाभिकीय आवेश में वृद्धि के साथ स्वतः विखंडन की संभावना बढ़ जाती है, क्योंकि यह विभाजन पैरामीटर Z 2 / A को बढ़ाता है। समस्थानिकों में Z< 92-95 деление происходит преимущественно с образованием двух осколков деления с отношением масс тяжёлого и лёгкого осколков 3:2. В изотопах Z >100, सममितीय विखंडन समान द्रव्यमान के टुकड़ों के निर्माण के साथ प्रबल होता है। परमाणु आवेश में वृद्धि के साथ, α-क्षय की तुलना में सहज विखंडन का अंश बढ़ जाता है।

आइसोटोप	हाफ लाइफ	क्षय चैनल
235 यू	7.04 10 8 वर्ष	α (100%), एसएफ (7 10-9%)
238 यू	4.47 10 9 वर्ष	α (100%), एस एफ (5.510-5%)
240 पु	6.56 10 3 वर्ष	α (100%), एस एफ (5.7 10-6%)
242 पु	3.75 10 5 वर्ष	α (100%), एस एफ (5.510-4%)
246 सेमी	4.76 10 3 वर्ष	α (99.97%), एसएफ (0.03%)
252 सीएफ	2.64 वर्ष	α (96.91%), एसएफ (3.09%)
254 सीएफ	60.5 साल	α (0.31%), एसएफ (99.69%)
256 सीएफ	12.3 साल	α (7.04 10 -8%), एसएफ (100%)

नाभिक का विखंडन। इतिहास

1934 जी.- ई। फर्मी, थर्मल न्यूट्रॉन के साथ यूरेनियम का विकिरण, प्रतिक्रिया उत्पादों के बीच खोजा गया रेडियोधर्मी नाभिक, जिसकी प्रकृति स्थापित नहीं की जा सकी।
एल। स्ज़ीलार्ड ने परमाणु श्रृंखला प्रतिक्रिया के विचार को सामने रखा।

1939 जी.- ओ। हैन और एफ। स्ट्रैसमैन ने प्रतिक्रिया उत्पादों में बेरियम पाया।
एल. मीटनर और ओ. फ्रिस्क ने पहली बार घोषणा की कि न्यूट्रॉन यूरेनियम को तुलनीय द्रव्यमान के दो टुकड़ों में विखंडित करते हैं।
एन. बोहर और जे. व्हीलर ने विखंडन पैरामीटर पेश करके परमाणु विखंडन की मात्रात्मक व्याख्या दी।
हां। फ्रेंकेल ने धीमी न्यूट्रॉन द्वारा नाभिक के विखंडन का ड्रॉप सिद्धांत विकसित किया।
एल। स्ज़ीलार्ड, ई। विग्नर, ई। फर्मी, जे। व्हीलर, एफ। जोलियट-क्यूरी, जे। ज़ेल्डोविच, यू। खारिटन ​​ने यूरेनियम में परमाणु विखंडन श्रृंखला प्रतिक्रिया की संभावना की पुष्टि की।

1940 ग्रा.- जी। फ्लेरोव और के। पेट्रज़क ने यूरेनियम नाभिक यू के सहज विखंडन की घटना की खोज की।

1942 जी.- ई। फर्मी ने पहले परमाणु रिएक्टर में एक नियंत्रित विखंडन श्रृंखला प्रतिक्रिया की।

1945 जी.- पहला परीक्षण परमाणु हथियार(नेवादा, यूएसए)। जापानी शहरों हिरोशिमा (6 अगस्त) और नागासाकी (9 अगस्त) पर परमाणु बम गिराए गए।

1946 जी.- आई.वी. के नेतृत्व में। यूरोप में पहला रिएक्टर कुरचतोव लॉन्च किया गया था।

1954 जी.- दुनिया का पहला परमाणु ऊर्जा संयंत्र (ओबनिंस्क, यूएसएसआर) का शुभारंभ किया।

नाभिक का विखंडन।1934 से ई. फर्मी ने परमाणुओं पर बमबारी करने के लिए न्यूट्रॉन का उपयोग करना शुरू किया। तब से, कृत्रिम परिवर्तन द्वारा प्राप्त स्थिर या रेडियोधर्मी नाभिक की संख्या कई सैकड़ों और लगभग सभी स्थानों तक बढ़ गई है आवधिक प्रणालीआइसोटोप से भरा हुआ।
इन सभी परमाणु प्रतिक्रियाओं में उत्पन्न होने वाले परमाणुओं ने आवर्त सारणी में बमबारी वाले परमाणु या पड़ोसी स्थानों के समान स्थान पर कब्जा कर लिया। इसलिए, 1938 में हैन और स्ट्रैसमैन के प्रमाण ने एक बड़ी सनसनी पैदा कर दी कि जब न्यूट्रॉन पर आवधिक प्रणाली के अंतिम तत्व के साथ बमबारी की गई थी−यूरेनियम−तत्वों का क्षय होता है जो आवर्त प्रणाली के मध्य भाग में होते हैं। यहां विभिन्न प्रकार के क्षय चलन में आते हैं। परिणामी परमाणु अधिकतर अस्थिर होते हैं और तुरंत आगे विघटित हो जाते हैं; कुछ का आधा जीवन सेकंडों में होता है, इसलिए गहन को इतनी तेज प्रक्रिया को लंबा करने के लिए क्यूरी की विश्लेषणात्मक पद्धति का उपयोग करना पड़ा। यह ध्यान रखना महत्वपूर्ण है कि यूरेनियम, प्रोटैक्टीनियम और थोरियम का सामना करने वाले तत्व भी न्यूट्रॉन के प्रभाव में समान क्षय प्रदर्शित करते हैं, हालांकि यूरेनियम के मामले की तुलना में क्षय शुरू होने के लिए उच्च न्यूट्रॉन ऊर्जा की आवश्यकता होती है। इसके साथ ही, 1940 में, G.N. Flerov और K.A.Petrzhak ने एक यूरेनियम नाभिक के सहज विखंडन की खोज की, जिसका अब तक का सबसे लंबा आधा जीवन ज्ञात है: लगभग 2· 10 15 वर्ष; इस मामले में जारी न्यूट्रॉन के कारण यह तथ्य स्पष्ट हो जाता है। तो यह समझना संभव था कि "प्राकृतिक" आवधिक प्रणाली तीन नामित तत्वों के साथ क्यों समाप्त होती है। अब ट्रांसयूरानिक तत्व ज्ञात हो गए हैं, लेकिन वे इतने अस्थिर हैं कि वे जल्दी से क्षय हो जाते हैं।
न्यूट्रॉन के माध्यम से यूरेनियम का विखंडन अब परमाणु ऊर्जा का उपयोग करना संभव बनाता है, जिसे पहले से ही "जूल्स वर्ने का सपना" के रूप में देखा गया था।

एम. लाउ, "भौतिकी का इतिहास"

1939 ओ। हैन और एफ। स्ट्रैसमैन, थर्मल न्यूट्रॉन के साथ यूरेनियम लवण को विकिरणित करते हुए, प्रतिक्रिया उत्पादों बेरियम (जेड = 56) में पाए गए।

ओटो गुन्नो (1879 – 1968)

नाभिक का विखंडन एक समान द्रव्यमान वाले दो (कम अक्सर तीन) नाभिक में एक नाभिक का विभाजन होता है, जिसे विखंडन टुकड़े कहा जाता है। विखंडन से अन्य कण भी उत्पन्न होते हैं - न्यूट्रॉन, इलेक्ट्रॉन, α-कण। विखंडन के परिणामस्वरूप ~ 200 MeV की ऊर्जा निकलती है। विखंडन अन्य कणों द्वारा सहज या प्रेरित हो सकता है, अक्सर न्यूट्रॉन।
अभिलक्षणिक विशेषताविखंडन यह है कि विखंडन के टुकड़े, एक नियम के रूप में, द्रव्यमान में काफी भिन्न होते हैं, अर्थात असममित विखंडन प्रबल होता है। तो, यूरेनियम आइसोटोप 236 यू के सबसे संभावित विखंडन के मामले में, टुकड़ों के द्रव्यमान का अनुपात 1.46 है। एक भारी टुकड़े की द्रव्यमान संख्या 139 (क्सीनन) होती है, और एक हल्की - 95 (स्ट्रोंटियम) होती है। दो त्वरित न्यूट्रॉन के उत्सर्जन को ध्यान में रखते हुए, विचाराधीन विखंडन प्रतिक्रिया का रूप है

रसायन विज्ञान में नोबेल पुरस्कार
1944 - ओ। गण।
न्यूट्रॉन द्वारा यूरेनियम नाभिक की विखंडन प्रतिक्रिया की खोज के लिए।

विखंडन टुकड़े

एक विखंडनीय नाभिक के द्रव्यमान पर प्रकाश और भारी समूहों के औसत द्रव्यमान की निर्भरता।

परमाणु विखंडन की खोज। 1939 जी.

मैं स्वीडन आया था, जहां लिस मीटनर अकेलेपन से पीड़ित था, और मैंने, एक समर्पित भतीजे के रूप में, क्रिसमस के लिए उससे मिलने का फैसला किया। वह गोथेनबर्ग के पास एक छोटे से होटल कुंगेल्व में रहती थी। मैंने उसे नाश्ते में पाया। उसने घाना से प्राप्त पत्र पर विचार किया। मुझे पत्र की सामग्री के बारे में बहुत संदेह था, जिसमें न्यूट्रॉन के साथ यूरेनियम को विकिरणित करके बेरियम के गठन की सूचना दी गई थी। हालाँकि, वह इस अवसर से आकर्षित थी। हम बर्फ में चले, वह पैदल थी, मैं स्कीइंग कर रहा था (उसने कहा कि वह ऐसा कर सकती है, मेरे साथ रहते हुए, और उसने इसे साबित कर दिया)। वॉक के अंत तक, हम पहले से ही कुछ निष्कर्ष निकाल सकते थे; नाभिक विभाजित नहीं हुआ, और टुकड़े उसमें से नहीं उड़े, और यह एक ऐसी प्रक्रिया थी जो बोहर नाभिक के एक छोटी बूंद मॉडल के समान थी; एक बूँद की तरह, केन्द्रक लम्बा और विभाजित हो सकता है। फिर मैंने जांच की कि कैसे न्यूक्लियॉन का विद्युत आवेश सतह के तनाव को कम करता है, जिसे मैं स्थापित करने में सक्षम था, Z = 100 पर शून्य हो जाता है और संभवतः, यूरेनियम के लिए काफी कम हो जाता है। Lise Meitner एक बड़े पैमाने पर दोष के कारण प्रत्येक क्षय के दौरान जारी ऊर्जा का निर्धारण करने में शामिल था। उसे द्रव्यमान दोष वक्र का बहुत स्पष्ट विचार था। यह पता चला कि इलेक्ट्रोस्टैटिक प्रतिकर्षण के कारण, विखंडन तत्व लगभग 200 MeV की ऊर्जा प्राप्त करेंगे, और यह वास्तव में एक द्रव्यमान दोष से जुड़ी ऊर्जा के अनुरूप है। इसलिए, प्रक्रिया एक संभावित बाधा से गुजरने की अवधारणा को शामिल किए बिना पूरी तरह से शास्त्रीय तरीके से आगे बढ़ सकती है, जो निश्चित रूप से यहां बेकार होगी।
क्रिसमस के दिन हमने दो-तीन दिन साथ में बिताए। फिर मैं कोपेनहेगन लौट आया और बोहर को हमारे विचार के बारे में सूचित करने का समय ही नहीं था जब वह पहले से ही संयुक्त राज्य अमेरिका के लिए एक स्टीमर में सवार हो रहा था। मुझे याद है कि जैसे ही मैंने बोलना शुरू किया, उसने अपना माथा कैसे थपथपाया और कहा: "ओह, हम कितने मूर्ख थे! हमें इस पर पहले गौर करना चाहिए था।" लेकिन उसने ध्यान नहीं दिया, और किसी ने ध्यान नहीं दिया।
Lise Meitner और मैंने एक लेख लिखा था। साथ ही, हम लंबी दूरी के टेलीफोन कोपेनहेगन - स्टॉकहोम द्वारा लगातार संपर्क में रहे।

ओ फ्रिस्क, यादें। यूएफएन। 1968. खंड 96, अंक 4, पृ. 697.

स्वतःस्फूर्त परमाणु विखंडन

नीचे वर्णित प्रयोगों में, हमने परमाणु विखंडन प्रक्रियाओं को रिकॉर्ड करने के लिए पहले फ्रिस्क द्वारा प्रस्तावित विधि का उपयोग किया था। यूरेनियम ऑक्साइड की एक परत के साथ कवर की गई प्लेटों के साथ एक आयनीकरण कक्ष एक रैखिक एम्पलीफायर से जुड़ा होता है जिसे इस तरह से ट्यून किया जाता है कि सिस्टम द्वारा यूरेनियम से निकलने वाले α कणों का पता नहीं लगाया जाता है; टुकड़ों से दालें, जो α-कणों से दालों की तुलना में बहुत बड़ी होती हैं, आउटपुट थायराट्रॉन को अनलॉक करती हैं और उन्हें एक यांत्रिक रिले माना जाता है।
एक आयनीकरण कक्ष को विशेष रूप से 1000 सेमी की 15 प्लेटों के कुल क्षेत्रफल के साथ एक बहुपरत फ्लैट कंडेनसर के रूप में डिजाइन किया गया था। 3 मिमी की दूरी वाली प्लेटों को यूरेनियम ऑक्साइड 10-20 मिलीग्राम / सेमी की एक परत के साथ कवर किया गया था। 2 .
टुकड़े की गिनती के लिए ट्यून किए गए एम्पलीफायर के साथ पहले प्रयोगों में, रिले और ऑसिलोस्कोप पर सहज (न्यूट्रॉन स्रोत की अनुपस्थिति में) दालों का निरीक्षण करना संभव था। इन आवेगों की संख्या छोटी थी (6 प्रति घंटा), और यह काफी समझ में आता है, इसलिए, इस घटना को सामान्य प्रकार के कैमरों के साथ नहीं देखा जा सकता है ...
हम सोचते हैं कि हम जो प्रभाव देखते हैं उसका श्रेय यूरेनियम के स्वतःस्फूर्त विखंडन से उत्पन्न टुकड़ों को दिया जाना चाहिए ...

हमारे परिणामों के अनुमान से प्राप्त आधे जीवन के साथ सहज विखंडन को एक अनएक्सिटेड यू आइसोटोप के लिए जिम्मेदार ठहराया जाना चाहिए:

यू 238 – 10 16 ~ 10 17 वर्षों,
यू 235 – 10 14 ~ 10 15 वर्षों,
यू 234 – 10 12 ~ 10 13 वर्षों।

आइसोटोप क्षय 238 यू

स्वतःस्फूर्त परमाणु विखंडन

स्वतः विखण्डन करने वाले समस्थानिक Z = 92 - 100 . का अर्ध-आयु

यूरेनियम-ग्रेफाइट जाली के साथ पहली प्रायोगिक प्रणाली 1941 में ई. फर्मी के निर्देशन में बनाई गई थी। यह एक ग्रेफाइट क्यूब था जिसकी धार 2.5 मीटर लंबी थी, जिसमें लगभग 7 टन यूरेनियम ऑक्साइड था, जो लोहे के बर्तनों में घिरा हुआ था, जो एक दूसरे से समान दूरी पर क्यूब में रखे गए थे। यूरेनियम-ग्रेफाइट जाली के तल पर एक राबी न्यूट्रॉन स्रोत रखा गया था। ऐसी प्रणाली में गुणन कारक 0.7 था। यूरेनियम ऑक्साइड में 2 से 5% अशुद्धियाँ होती हैं। शुद्ध सामग्री प्राप्त करने की दिशा में और प्रयास किए गए और मई 1942 तक यूरेनियम ऑक्साइड प्राप्त किया जा चुका था, जिसमें अशुद्धता 1% से कम थी। विखंडन की एक श्रृंखला प्रतिक्रिया प्रदान करने के लिए, कई टन के क्रम में बड़ी मात्रा में ग्रेफाइट और यूरेनियम का उपयोग करना आवश्यक था। अशुद्धता कुछ पीपीएम से कम होनी चाहिए। 1942 के अंत तक शिकागो विश्वविद्यालय में फर्मी द्वारा इकट्ठे किए गए रिएक्टर में ऊपर से एक अधूरे गोलाकार कटे हुए आकार का था। इसमें 40 टन यूरेनियम और 385 टन ग्रेफाइट था। 2 दिसंबर, 1942 की शाम को, जब न्यूट्रॉन अवशोषक छड़ें हटा दी गईं, तो पता चला कि रिएक्टर के अंदर एक परमाणु श्रृंखला प्रतिक्रिया हो रही थी। मापा अनुपात 1.0006 था। प्रारंभ में, रिएक्टर 0.5 W के शक्ति स्तर पर संचालित होता था। 12 दिसंबर तक इसकी शक्ति को बढ़ाकर 200 वाट कर दिया गया था। इसके बाद, रिएक्टर को सुरक्षित स्थान पर ले जाया गया, और इसकी शक्ति को कई किलोवाट तक बढ़ा दिया गया। इस मामले में, रिएक्टर ने प्रति दिन 0.002 ग्राम यूरेनियम-235 की खपत की।

यूएसएसआर में पहला परमाणु रिएक्टर

यूएसएसआर परमाणु अनुसंधान रिएक्टर एफ -1 में पहली इमारत जून 1946 तक तैयार हो गई थी।
सभी आवश्यक प्रयोग किए जाने के बाद, रिएक्टर की नियंत्रण और सुरक्षा प्रणाली विकसित की गई, रिएक्टर के आयाम निर्धारित किए गए, रिएक्टर मॉडल के साथ सभी आवश्यक प्रयोग किए गए, न्यूट्रॉन घनत्व कई मॉडलों पर निर्धारित किया गया, और ग्रेफाइट ब्लॉक (तथाकथित परमाणु शुद्धता) और (न्यूट्रॉन-भौतिक जांच के बाद) यूरेनियम ब्लॉक, नवंबर 1946 में उन्होंने F-1 रिएक्टर का निर्माण शुरू किया।
रिएक्टर की कुल त्रिज्या 3.8 मीटर थी। इसमें 400 टन ग्रेफाइट और 45 टन यूरेनियम की आवश्यकता थी। रिएक्टर को परतों में इकट्ठा किया गया था और 25 दिसंबर, 1946 को 15:00 बजे, अंतिम, 62वीं परत को इकट्ठा किया गया था। तथाकथित आपातकालीन छड़ों को हटाने के बाद, नियंत्रण छड़ को हटा दिया गया, न्यूट्रॉन घनत्व की गिनती शुरू हुई, और 25 दिसंबर, 1946 को 18:00 बजे यूएसएसआर में पहला रिएक्टर जीवन में आया। यह वैज्ञानिकों के लिए एक रोमांचक जीत थी - परमाणु रिएक्टर के निर्माता और पूरे सोवियत लोग। डेढ़ साल बाद, 10 जून, 1948 को, चैनलों में पानी के साथ एक औद्योगिक रिएक्टर एक महत्वपूर्ण स्थिति में पहुंच गया और जल्द ही एक नए प्रकार के परमाणु ईंधन - प्लूटोनियम का औद्योगिक उत्पादन शुरू हुआ।

परमाणु विखंडन एक भारी परमाणु का लगभग समान द्रव्यमान के दो टुकड़ों में विभाजित होता है, साथ ही बड़ी मात्रा में ऊर्जा की रिहाई होती है।

परमाणु विखंडन की खोज की शुरुआत नया युग- "परमाणु युग"। इसके संभावित उपयोग की संभावना और इसके उपयोग से लाभ के जोखिम के अनुपात ने न केवल कई सामाजिक, राजनीतिक, आर्थिक और वैज्ञानिक प्रगतिलेकिन गंभीर समस्याएं भी। विशुद्ध रूप से वैज्ञानिक दृष्टिकोण से भी, परमाणु विखंडन की प्रक्रिया ने कई पहेलियाँ और जटिलताएँ पैदा की हैं, और इसकी पूरी सैद्धांतिक व्याख्या भविष्य की बात है।

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विभिन्न नाभिकों के लिए बाध्यकारी ऊर्जा (प्रति न्यूक्लियॉन) भिन्न होती है। आवर्त सारणी के मध्य में स्थित लोगों की तुलना में भारी लोगों में बाध्यकारी ऊर्जा कम होती है।

इसका मतलब यह है कि 100 से अधिक परमाणु संख्या वाले भारी नाभिक के लिए दो छोटे टुकड़ों में विभाजित करना फायदेमंद होता है, जिससे ऊर्जा जारी होती है जो टुकड़ों की गतिज ऊर्जा में परिवर्तित हो जाती है। इस प्रक्रिया को विभाजन कहते हैं

स्थिरता वक्र के अनुसार, जो स्थिर न्यूक्लाइड के लिए न्यूट्रॉन की संख्या पर प्रोटॉन की संख्या की निर्भरता को दर्शाता है, भारी नाभिक हल्के वाले की तुलना में अधिक न्यूट्रॉन (प्रोटॉन की संख्या की तुलना में) को पसंद करते हैं। इससे पता चलता है कि विखंडन प्रक्रिया के साथ, कुछ "अतिरिक्त" न्यूट्रॉन उत्सर्जित होंगे। इसके अलावा, वे कुछ जारी ऊर्जा को भी ग्रहण करेंगे। यूरेनियम परमाणु के विखंडन के अध्ययन से पता चला है कि 3-4 न्यूट्रॉन निकलते हैं: 238 U → 145 La + 90 Br + 3n।

टुकड़े का परमाणु क्रमांक (और परमाणु द्रव्यमान) आधे के बराबर नहीं है परमाणु भारमाता-पिता। विभाजन के परिणामस्वरूप बनने वाले परमाणुओं के द्रव्यमान के बीच का अंतर आमतौर पर लगभग 50 है। सच है, इसका कारण अभी तक पूरी तरह से समझा नहीं गया है।

238 U, 145 La, और 90 Br की बाध्यकारी ऊर्जा क्रमशः 1803, 1198 और 763 MeV हैं। इसका मतलब है कि इस प्रतिक्रिया के परिणामस्वरूप, यूरेनियम नाभिक की विखंडन ऊर्जा 1198 + 763-1803 = 158 MeV के बराबर निकलती है।

सहज विभाजन

सहज दरार प्रक्रियाओं को प्रकृति में जाना जाता है, लेकिन वे बहुत दुर्लभ हैं। इस प्रक्रिया का औसत जीवनकाल लगभग 10 17 वर्ष है, और, उदाहरण के लिए, उसी रेडियोन्यूक्लाइड के अल्फा क्षय का औसत जीवनकाल लगभग 10 11 वर्ष है।

इसका कारण यह है कि दो भागों में विभाजित होने के लिए, नाभिक को पहले एक दीर्घवृत्ताकार आकार में विरूपण (खिंचाव) से गुजरना पड़ता है, और फिर, अंत में दो टुकड़ों में विभाजित होने से पहले, बीच में एक "गर्दन" का निर्माण होता है।

संभावित बाधा

विकृत अवस्था में नाभिक पर दो बल कार्य करते हैं। उनमें से एक बढ़ी हुई सतह ऊर्जा है (एक तरल छोटी बूंद का सतह तनाव इसके गोलाकार आकार की व्याख्या करता है), और दूसरा विखंडन टुकड़ों के बीच कूलम्ब प्रतिकर्षण है। साथ में वे एक संभावित अवरोध पैदा करते हैं।

अल्फा क्षय के मामले में, यूरेनियम परमाणु के सहज विखंडन के लिए, क्वांटम टनलिंग का उपयोग करके टुकड़ों को इस बाधा को दूर करना होगा। अवरोध का आकार लगभग 6 MeV है, जैसा कि अल्फा क्षय के मामले में होता है, लेकिन एक अल्फा कण के सुरंग बनने की संभावना अधिक भारी परमाणु विभाजन उत्पाद की तुलना में बहुत अधिक होती है।

जबरन बंटवारा

यूरेनियम नाभिक का प्रेरित विखंडन बहुत अधिक संभावित है। इस मामले में, मदर न्यूक्लियस न्यूट्रॉन से विकिरणित होता है। यदि माता-पिता इसे अवशोषित करते हैं, तो वे बाध्यकारी ऊर्जा को कंपन ऊर्जा के रूप में मुक्त करते हैं, जो संभावित बाधा को दूर करने के लिए आवश्यक 6 MeV से अधिक हो सकती है।

जहां अतिरिक्त न्यूट्रॉन की ऊर्जा संभावित अवरोध को दूर करने के लिए अपर्याप्त है, परमाणु विभाजन को प्रेरित करने में सक्षम होने के लिए घटना न्यूट्रॉन में न्यूनतम गतिज ऊर्जा होनी चाहिए। 238 U के मामले में, अतिरिक्त न्यूट्रॉन की बाध्यकारी ऊर्जा लगभग 1 MeV कम है। इसका मतलब है कि यूरेनियम नाभिक का विखंडन केवल एक न्यूट्रॉन द्वारा प्रेरित होता है जिसकी गतिज ऊर्जा 1 MeV से अधिक होती है। दूसरी ओर, 235 U समस्थानिक में एक अयुग्मित न्यूट्रॉन होता है। जब नाभिक एक अतिरिक्त को अवशोषित करता है, तो यह इसके साथ एक जोड़ी बनाता है, और इस युग्मन के परिणामस्वरूप, अतिरिक्त बाध्यकारी ऊर्जा प्रकट होती है। यह संभावित अवरोध को दूर करने के लिए नाभिक के लिए आवश्यक ऊर्जा की मात्रा को मुक्त करने के लिए पर्याप्त है और किसी भी न्यूट्रॉन के साथ टकराव पर आइसोटोप का विखंडन होता है।

बीटा क्षय

भले ही विखंडन प्रतिक्रिया तीन या चार न्यूट्रॉन का उत्सर्जन करती है, फिर भी टुकड़ों में उनके स्थिर आइसोबार की तुलना में अधिक न्यूट्रॉन होते हैं। इसका मतलब है कि बीटा क्षय के संबंध में दरार के टुकड़े आमतौर पर अस्थिर होते हैं।

उदाहरण के लिए, जब यूरेनियम 238 यू न्यूक्लियस का विखंडन होता है, तो = 145 के साथ स्थिर आइसोबार नियोडिमियम 145 एनडी होता है, जिसका अर्थ है कि लैंथेनम का टुकड़ा 145 ला तीन चरणों में क्षय होता है, हर बार एक इलेक्ट्रॉन और एंटीन्यूट्रिनो का उत्सर्जन करता है, जब तक कि स्थिर नहीं हो जाता। न्यूक्लाइड बनता है। ज़िरकोनियम 90 Zr A = 90 के साथ एक स्थिर आइसोबार है; इसलिए, ब्रोमीन 90 Br के दरार से एक टुकड़ा β-क्षय श्रृंखला के पांच चरणों में विघटित हो जाता है।

ये β-क्षय श्रृंखलाएं अतिरिक्त ऊर्जा छोड़ती हैं, जो लगभग सभी इलेक्ट्रॉनों और एंटीन्यूट्रिनो द्वारा दूर की जाती हैं।

परमाणु प्रतिक्रियाएं: यूरेनियम नाभिक का विखंडन

नाभिक की स्थिरता सुनिश्चित करने के लिए उनमें से बहुत से न्यूक्लाइड से न्यूट्रॉन का प्रत्यक्ष उत्सर्जन असंभव है। यहाँ बात यह है कि कोई कूलम्ब प्रतिकर्षण नहीं है, और इसलिए सतही ऊर्जा जनक के संबंध में न्यूट्रॉन को बनाए रखने की प्रवृत्ति रखती है। फिर भी, ऐसा कभी-कभी होता है। उदाहरण के लिए, पहले बीटा क्षय चरण में 90 Br विखंडन टुकड़ा क्रिप्टन -90 का उत्पादन करता है, जिसे सतह ऊर्जा पर काबू पाने के लिए पर्याप्त ऊर्जा के साथ सक्रिय किया जा सकता है। ऐसे में क्रिप्टन-89 के बनने से न्यूट्रॉनों का उत्सर्जन सीधे हो सकता है। β-क्षय के संबंध में अभी भी अस्थिर है जब तक कि यह स्थिर yttrium-89 में बदल नहीं जाता है, ताकि क्रिप्टन-89 तीन चरणों में क्षय हो जाए।

यूरेनियम नाभिक का विखंडन: एक श्रृंखला प्रतिक्रिया

विखंडन प्रतिक्रिया में उत्सर्जित न्यूट्रॉन को एक अन्य मूल नाभिक द्वारा अवशोषित किया जा सकता है, जो तब प्रेरित विखंडन से गुजरता है। यूरेनियम-238 के मामले में, उत्पन्न होने वाले तीन न्यूट्रॉन 1 MeV से कम की ऊर्जा के साथ निकलते हैं (यूरेनियम नाभिक के विखंडन के दौरान जारी ऊर्जा - 158 MeV - मुख्य रूप से विखंडन टुकड़ों की गतिज ऊर्जा में परिवर्तित हो जाती है), इसलिए वे इस न्यूक्लाइड के और अधिक विखंडन का कारण नहीं बन सकते। फिर भी, दुर्लभ आइसोटोप 235 यू की एक महत्वपूर्ण एकाग्रता पर, इन मुक्त न्यूट्रॉन को 235 यू नाभिक द्वारा कब्जा कर लिया जा सकता है, जो वास्तव में विभाजन का कारण बन सकता है, क्योंकि इस मामले में कोई ऊर्जा सीमा नहीं है जिसके नीचे विखंडन प्रेरित नहीं होता है।

यह एक श्रृंखला प्रतिक्रिया का सिद्धांत है।

परमाणु प्रतिक्रियाओं के प्रकार

मान लीजिए k इस श्रृंखला के चरण n पर विखंडनीय सामग्री के एक नमूने में उत्पादित न्यूट्रॉन की संख्या है, जो चरण n - 1 पर उत्पादित न्यूट्रॉन की संख्या से विभाजित है। यह संख्या इस बात पर निर्भर करेगी कि चरण n-1 में कितने न्यूट्रॉन अवशोषित होते हैं। नाभिक द्वारा, जो जबरन विभाजन से गुजर सकता है।

अगर के< 1, то цепная реакция просто выдохнется и процесс остановится очень быстро. Именно это и происходит в природной в которой концентрация 235 U настолько мала, что вероятность поглощения одного из нейтронов этим изотопом крайне ничтожна.

यदि k> 1, तो श्रृंखला प्रतिक्रिया तब तक बढ़ेगी जब तक कि सभी विखंडनीय सामग्री का उपयोग नहीं किया जाता है। यह यूरेनियम -235 की पर्याप्त उच्च सांद्रता प्राप्त करने के लिए प्राकृतिक अयस्क को समृद्ध करके प्राप्त किया जाता है। एक गोलाकार नमूने के लिए, k का मान न्यूट्रॉन अवशोषण की संभावना में वृद्धि के साथ बढ़ता है, जो गोले की त्रिज्या पर निर्भर करता है। इसलिए, यू का द्रव्यमान एक निश्चित से अधिक होना चाहिए ताकि यूरेनियम नाभिक (श्रृंखला प्रतिक्रिया) का विखंडन हो सके।

यदि k=1 है, तो एक नियंत्रित अभिक्रिया होती है। इसका उपयोग परमाणु रिएक्टरों में किया जाता है। इस प्रक्रिया को यूरेनियम के बीच कैडमियम या बोरॉन रॉड के वितरण द्वारा नियंत्रित किया जाता है, जो अधिकांश न्यूट्रॉन को अवशोषित करता है (इन तत्वों में न्यूट्रॉन को पकड़ने की क्षमता होती है)। यूरेनियम के नाभिक के विखंडन को छड़ों को घुमाकर स्वतः नियंत्रित किया जाता है ताकि k का मान एकता के बराबर बना रहे।