यूरेनियम नाभिक का विखंडन. श्रृंखला अभिक्रिया। परमाणु विखंडन एवं संलयन

परमाणु विखंडन प्रतिक्रियाएँ- विखंडन प्रतिक्रियाएं, जिसमें यह तथ्य शामिल है कि न्यूट्रॉन के प्रभाव में एक भारी नाभिक, और, जैसा कि बाद में पता चला, अन्य कणों को कई हल्के नाभिक (टुकड़ों) में विभाजित किया जाता है, अक्सर समान द्रव्यमान के दो नाभिक में।

परमाणु विखंडन की एक विशेषता यह है कि इसके साथ दो या तीन द्वितीयक न्यूट्रॉन का उत्सर्जन होता है, जिन्हें कहा जाता है विखंडन न्यूट्रॉन.चूँकि मध्यम नाभिक के लिए न्यूट्रॉन की संख्या लगभग प्रोटॉन की संख्या के बराबर होती है ( एन/जेड ≈ 1), और भारी नाभिक के लिए न्यूट्रॉन की संख्या प्रोटॉन की संख्या से काफी अधिक है ( एन/जेड ≈ 1.6), फिर परिणामी विखंडन टुकड़े न्यूट्रॉन से अतिभारित हो जाते हैं, जिसके परिणामस्वरूप वे विखंडन न्यूट्रॉन छोड़ते हैं। हालाँकि, विखंडन न्यूट्रॉन का उत्सर्जन न्यूट्रॉन के साथ खंडित नाभिक के अधिभार को पूरी तरह से समाप्त नहीं करता है। इससे टुकड़े रेडियोधर्मी हो जाते हैं। वे γ क्वांटा के उत्सर्जन के साथ β - -परिवर्तनों की एक श्रृंखला से गुजर सकते हैं। चूँकि β - -क्षय एक न्यूट्रॉन के प्रोटॉन में परिवर्तन के साथ होता है, तो β - -परिवर्तनों की एक श्रृंखला के बाद टुकड़े में न्यूट्रॉन और प्रोटॉन के बीच का अनुपात एक स्थिर आइसोटोप के अनुरूप मूल्य तक पहुंच जाएगा। उदाहरण के लिए, यूरेनियम नाभिक यू के विखंडन के दौरान

यू+ एन →एक्सई + सीनियर +2 एन(265.1)

विखंडन टुकड़ा Xe, β-क्षय के तीन कृत्यों के परिणामस्वरूप, लैंथेनम La के स्थिर आइसोटोप में बदल जाता है:

हेह → सी → बी ० ए → ला.

विखंडन के टुकड़े विविध हो सकते हैं, इसलिए प्रतिक्रिया (265.1) यू के विखंडन की ओर ले जाने वाली एकमात्र प्रतिक्रिया नहीं है।

अधिकांश विखंडन न्यूट्रॉन लगभग तुरंत उत्सर्जित होते हैं ( टी≤ 10 -14 सेकंड), और भाग (लगभग 0.7%) विखंडन के कुछ समय बाद विखंडन के टुकड़ों द्वारा उत्सर्जित होता है (0.05 सेकंड ≤ टी≤ 60 एस). उनमें से सबसे पहले कहा जाता है तुरंत,दूसरा - पिछड़नाऔसतन, प्रत्येक विखंडन घटना से 2.5 न्यूट्रॉन उत्पन्न होते हैं। उनके पास अपेक्षाकृत व्यापक ऊर्जा स्पेक्ट्रम 0 से 7 MeV तक है, जिसमें औसत ऊर्जा लगभग 2 MeV प्रति न्यूट्रॉन है।

गणना से पता चलता है कि परमाणु विखंडन के साथ बड़ी मात्रा में ऊर्जा भी निकलती होगी। वास्तव में, मध्यम-द्रव्यमान नाभिक के लिए विशिष्ट बंधन ऊर्जा लगभग 8.7 MeV है, जबकि भारी नाभिक के लिए यह 7.6 MeV है। नतीजतन, जब एक भारी नाभिक दो टुकड़ों में विभाजित होता है, तो प्रति न्यूक्लियॉन लगभग 1.1 MeV के बराबर ऊर्जा निकलनी चाहिए।

परमाणु नाभिक के विखंडन का सिद्धांत (एन. बोह्र, हां. आई. फ्रेनकेल) नाभिक के बूंद मॉडल पर आधारित है। नाभिक को विद्युत आवेशित असम्पीडित तरल (परमाणु के बराबर घनत्व और क्वांटम यांत्रिकी के नियमों का पालन करने वाले) की एक बूंद के रूप में माना जाता है, जिसके कण, जब न्यूट्रॉन नाभिक से टकराता है, कंपन करना शुरू कर देता है, जिसके परिणामस्वरूप नाभिक दो भागों में टूट जाता है और प्रचंड ऊर्जा के साथ उड़ जाता है।

परमाणु विखंडन की संभावना न्यूट्रॉन की ऊर्जा से निर्धारित होती है। उदाहरण के लिए, यदि उच्च-ऊर्जा न्यूट्रॉन लगभग सभी नाभिकों के विखंडन का कारण बनते हैं, तो कई मेगा-इलेक्ट्रॉन-वोल्ट की ऊर्जा वाले न्यूट्रॉन केवल भारी नाभिकों के विखंडन का कारण बनते हैं ( ए>210), न्यूट्रॉन वाले सक्रियण ऊर्जा(परमाणु विखंडन प्रतिक्रिया को अंजाम देने के लिए आवश्यक न्यूनतम ऊर्जा) 1 MeV के क्रम में, यूरेनियम यू, थोरियम थ, प्रोटैक्टीनियम पा, प्लूटोनियम पु के नाभिक के विखंडन का कारण बनता है। थर्मल न्यूट्रॉन यू, पु, और यू, थ के नाभिक को विखंडित करते हैं (अंतिम दो आइसोटोप प्रकृति में नहीं पाए जाते हैं, वे कृत्रिम रूप से प्राप्त किए जाते हैं)।

परमाणु विखंडन के दौरान उत्सर्जित द्वितीयक न्यूट्रॉन नई विखंडन घटनाओं का कारण बन सकते हैं, जिससे ऐसा होना संभव हो जाता है विखंडन श्रृंखला प्रतिक्रिया- एक परमाणु प्रतिक्रिया जिसमें प्रतिक्रिया पैदा करने वाले कण इस प्रतिक्रिया के उत्पाद के रूप में बनते हैं। विखंडन श्रृंखला अभिक्रिया की विशेषता है गुणन कारक कन्यूट्रॉन, जो किसी दी गई पीढ़ी में न्यूट्रॉन की संख्या और पिछली पीढ़ी में उनकी संख्या के अनुपात के बराबर है। एक आवश्यक शर्तविखंडन श्रृंखला प्रतिक्रिया के विकास के लिए है आवश्यकता k ≥ 1.

यह पता चला है कि उत्पादित सभी माध्यमिक न्यूट्रॉन बाद के परमाणु विखंडन का कारण नहीं बनते हैं, जिससे गुणन कारक में कमी आती है। सबसे पहले, सीमित आयामों के कारण मुख्य(वह स्थान जहां एक मूल्यवान प्रतिक्रिया होती है) और न्यूट्रॉन की उच्च भेदन क्षमता, उनमें से कुछ किसी भी नाभिक द्वारा कब्जा किए जाने से पहले सक्रिय क्षेत्र छोड़ देंगे। दूसरे, कुछ न्यूट्रॉन गैर-विखंडनीय अशुद्धियों के नाभिक द्वारा कैप्चर किए जाते हैं, जो हमेशा कोर में मौजूद होते हैं, इसके अलावा, विखंडन के साथ-साथ, विकिरण कैप्चर और इनलेस्टिक बिखरने की प्रतिस्पर्धी प्रक्रियाएं भी हो सकती हैं।

गुणन गुणांक विखंडनीय पदार्थ की प्रकृति और किसी दिए गए आइसोटोप के लिए, इसकी मात्रा, साथ ही सक्रिय क्षेत्र के आकार और आकार पर निर्भर करता है। सक्रिय क्षेत्र के न्यूनतम आयाम जिस पर श्रृंखला प्रतिक्रिया संभव है, कहलाते हैं महत्वपूर्ण आकार.कार्यान्वयन के लिए आवश्यक महत्वपूर्ण आयामों की प्रणाली में स्थित विखंडनीय सामग्री का न्यूनतम द्रव्यमान श्रृंखला अभिक्रिया,बुलाया क्रांतिक द्रव्यमान।

श्रृंखला प्रतिक्रियाओं के विकास की गति अलग-अलग होती है। होने देना टी -औसत समय

एक पीढ़ी का जीवन, और एन- किसी दी गई पीढ़ी में न्यूट्रॉन की संख्या। अगली पीढ़ी में इनकी संख्या बराबर हो जाती है के.एन.,टी। ई. प्रति पीढ़ी न्यूट्रॉन की संख्या में वृद्धि डीएन = केएन - एन = एन(क - 1). प्रति इकाई समय में न्यूट्रॉन की संख्या में वृद्धि, यानी श्रृंखला प्रतिक्रिया की वृद्धि दर,

. (266.1)

(266.1) को एकीकृत करने पर, हम प्राप्त करते हैं

,

कहाँ एन 0समय के प्रारंभिक क्षण में न्यूट्रॉन की संख्या है, और एन- एक समय में उनकी संख्या टी. एनचिह्न द्वारा निर्धारित ( क- 1). पर क>1 आ रहा है विकासशील प्रतिक्रिया,विखंडनों की संख्या लगातार बढ़ती रहती है और प्रतिक्रिया विस्फोटक हो सकती है। पर क=1 जाता है आत्मनिर्भर प्रतिक्रियाजिसमें न्यूट्रॉन की संख्या समय के साथ नहीं बदलती। पर क <1 идет लुप्त होती प्रतिक्रिया

श्रृंखलाबद्ध प्रतिक्रियाओं में नियंत्रित और अनियंत्रित शामिल हैं। उदाहरण के लिए, परमाणु बम का विस्फोट एक अनियंत्रित प्रतिक्रिया है। भंडारण के दौरान परमाणु बम को फटने से बचाने के लिए, इसमें मौजूद यू (या पु) को क्रांतिक से कम द्रव्यमान वाले एक दूसरे से दूर दो भागों में विभाजित किया जाता है। फिर, एक साधारण विस्फोट की मदद से, ये द्रव्यमान एक साथ करीब आते हैं, विखंडनीय पदार्थ का कुल द्रव्यमान महत्वपूर्ण से अधिक हो जाता है और एक विस्फोटक श्रृंखला प्रतिक्रिया होती है, जिसमें भारी मात्रा में ऊर्जा और महान विनाश की तत्काल रिहाई होती है। . विस्फोटक प्रतिक्रिया सहज विखंडन से उपलब्ध न्यूट्रॉन या ब्रह्मांडीय विकिरण से न्यूट्रॉन के कारण शुरू होती है। परमाणु रिएक्टरों में नियंत्रित श्रृंखला प्रतिक्रियाएँ होती हैं।

न्यूट्रॉन की विद्युत तटस्थता के कारण।

2. किस ऊर्जा को प्रतिक्रिया का ऊर्जा उत्पादन कहा जाता है? विखंडन प्रतिक्रिया के लिए ऊर्जा उपज का अनुमान कैसे लगाएं?

विखंडन प्रतिक्रिया की कुल ऊर्जा उपज एक यूरेनियम नाभिक के विखंडन के दौरान निकलने वाली ऊर्जा है। यूरेनियम 235 के नाभिक में एक न्यूक्लियॉन की विशिष्ट बंधन ऊर्जा लगभग 7.6 MeV है, और प्रतिक्रिया टुकड़े की विशिष्ट बंधन ऊर्जा लगभग 8.5 MeV है। विखंडन के परिणामस्वरूप, (8.5 - 7.6) MeV = 0.9 MeV (प्रति न्यूक्लियॉन) निकलता है। कुल 235 न्यूक्लियॉन हैं, तो विखंडन प्रतिक्रिया की कुल ऊर्जा उपज है

3. श्रृंखला प्रतिक्रिया की गति को कौन सा मान दर्शाता है? शृंखला अभिक्रिया के विकास के लिए आवश्यक शर्तें लिखिए।

न्यूट्रॉन गुणन कारक k श्रृंखला प्रतिक्रिया की दर को दर्शाता है। श्रृंखला प्रतिक्रिया के विकास के लिए एक आवश्यक शर्त

4. किस विखंडन प्रतिक्रिया को आत्मनिर्भर कहा जाता है? यह कब घटित होता है?

एक आत्मनिर्भर परमाणु विखंडन प्रतिक्रिया तब होती है जब न्यूट्रॉन रैखिक आकार एल के साथ एक माध्यम से यात्रा करने के दौरान विखंडन प्रतिक्रिया के परिणामस्वरूप एक नया न्यूट्रॉन बनने में कामयाब होता है।

5. क्रिटिकल कोर आकार और क्रिटिकल द्रव्यमान का आकलन करें।

सिलेंडर का आयतन है

N नाभिक की सांद्रता है। प्रति इकाई समय में नाभिक के साथ न्यूट्रॉन के टकराव की संख्या n।

परमाणु विखंडन- एक परमाणु नाभिक को समान द्रव्यमान वाले दो (कम अक्सर तीन) नाभिकों में विभाजित करने की प्रक्रिया, जिसे विखंडन टुकड़े कहा जाता है। विखंडन के परिणामस्वरूप, अन्य प्रतिक्रिया उत्पाद भी उत्पन्न हो सकते हैं: प्रकाश नाभिक (मुख्य रूप से अल्फा कण), न्यूट्रॉन और गामा किरणें। विखंडन सहज (सहज) और मजबूर हो सकता है (अन्य कणों के साथ बातचीत के परिणामस्वरूप, मुख्य रूप से न्यूट्रॉन के साथ)। भारी नाभिक का विखंडन एक ऊष्माक्षेपी प्रक्रिया है, जिसके परिणामस्वरूप प्रतिक्रिया उत्पादों की गतिज ऊर्जा के साथ-साथ विकिरण के रूप में बड़ी मात्रा में ऊर्जा निकलती है। परमाणु विखंडन परमाणु रिएक्टरों और परमाणु हथियारों में ऊर्जा के स्रोत के रूप में कार्य करता है। विखंडन प्रक्रिया तभी घटित हो सकती है जब विखंडन करने वाले नाभिक की प्रारंभिक अवस्था की संभावित ऊर्जा विखंडन टुकड़ों के द्रव्यमान के योग से अधिक हो जाती है। चूंकि भारी नाभिकों की विशिष्ट बंधन ऊर्जा उनके द्रव्यमान में वृद्धि के साथ कम हो जाती है, यह स्थिति द्रव्यमान संख्या वाले लगभग सभी नाभिकों के लिए संतुष्ट होती है।

हालाँकि, जैसा कि अनुभव से पता चलता है, यहां तक ​​कि सबसे भारी नाभिक का विखंडन भी बहुत कम संभावना के साथ अनायास होता है। इसका मतलब है कि एक ऊर्जा अवरोध है ( विखंडन अवरोध), विभाजन को रोकना। परमाणु विखंडन की प्रक्रिया का वर्णन करने के लिए कई मॉडलों का उपयोग किया जाता है, जिसमें विखंडन अवरोध की गणना भी शामिल है, लेकिन उनमें से कोई भी इस प्रक्रिया को पूरी तरह से समझा नहीं सकता है।

यह तथ्य कि भारी नाभिक के विखंडन के दौरान ऊर्जा निकलती है, सीधे तौर पर विशिष्ट बंधन ऊर्जा की निर्भरता से उत्पन्न होती है। = द्रव्यमान संख्या ए से ई प्रकाश (ए,जेड)/ए। जब ​​एक भारी नाभिक विखंडन होता है, तो हल्के नाभिक बनते हैं जिसमें नाभिक अधिक दृढ़ता से बंधे होते हैं, और ऊर्जा का कुछ हिस्सा विखंडन के दौरान जारी होता है। एक नियम के रूप में, परमाणु विखंडन 1-4 न्यूट्रॉन के उत्सर्जन के साथ होता है। आइए हम विखंडन ऊर्जा Q को प्रारंभिक और अंतिम नाभिक की बंधन ऊर्जा के रूप में व्यक्त करें। हम प्रारंभिक नाभिक की ऊर्जा लिखते हैं, जिसमें जेड प्रोटॉन और एन न्यूट्रॉन शामिल हैं, और एक द्रव्यमान एम (ए, जेड) और बाध्यकारी ऊर्जा ई सेंट (ए, जेड) है, निम्नलिखित रूप में:

एम(ए,जेड)सी 2 = (जेडएम पी + एनएम एन)सी 2 - ई सेंट (ए,जेड)।

नाभिक (ए,जेड) का 2 टुकड़ों (ए 1,जेड 1) और (ए 2,जेड 2) में विभाजन एन एन के गठन के साथ होता है = ए - ए 1 - ए 2 शीघ्र न्यूट्रॉन। यदि एक नाभिक (A,Z) द्रव्यमान M 1 (A 1 ,Z 1), M 2 (A 2 ,Z 2) और बंधन ऊर्जा E св1 (A 1,Z 1), E св2 (A 2) के साथ टुकड़ों में विभाजित हो जाता है , Z 2), तो विखंडन ऊर्जा के लिए हमारे पास अभिव्यक्ति है:

Q div = (M(A,Z) – )c 2 = E St 1 (A 1 ,Z 1) + E St (A 2 ,Z 2) – E St (A,Z),

ए = ए 1 + ए 2 + एन एन, जेड = जेड 1 + जेड 2।

23. विखंडन का प्राथमिक सिद्धांत.

1939 में एन. बोरऔर जे. व्हीलर, और हाँ. फ्रेंकेलविखंडन का प्रयोगात्मक रूप से व्यापक अध्ययन किए जाने से बहुत पहले, इस प्रक्रिया का एक सिद्धांत प्रस्तावित किया गया था, जो आवेशित तरल की एक बूंद के रूप में नाभिक के विचार पर आधारित था।

विखंडन के दौरान निकलने वाली ऊर्जा सीधे प्राप्त की जा सकती है वीज़सैकर सूत्र।

आइए एक भारी नाभिक के विखंडन के दौरान निकलने वाली ऊर्जा की मात्रा की गणना करें। आइए हम A 1 = 240 और Z 1 = 90 मानते हुए नाभिक (f.1) की बंधन ऊर्जाओं के लिए भावों को (f.2) में प्रतिस्थापित करें। (f.1) में अंतिम पद को उसकी लघुता के कारण उपेक्षित करें और प्रतिस्थापित करें पैरामीटर ए 2 और ए 3 के मान हमें मिलते हैं

इससे हमें पता चलता है कि Z 2 /A > 17 होने पर विखंडन ऊर्जावान रूप से अनुकूल होता है। Z 2 /A के मान को विखंडन पैरामीटर कहा जाता है। विखंडन के दौरान निकलने वाली ऊर्जा E, Z 2/A बढ़ने के साथ बढ़ती है; येट्रियम और ज़िरकोनियम क्षेत्र में नाभिक के लिए Z 2 /A = 17। प्राप्त अनुमानों से यह स्पष्ट है कि विखंडन A > 90 वाले सभी नाभिकों के लिए ऊर्जावान रूप से अनुकूल है। सहज विखंडन के संबंध में अधिकांश नाभिक स्थिर क्यों हैं? इस प्रश्न का उत्तर देने के लिए, आइए देखें कि विखंडन के दौरान नाभिक का आकार कैसे बदलता है।

विखंडन प्रक्रिया के दौरान, नाभिक क्रमिक रूप से निम्नलिखित चरणों से गुजरता है (चित्र 2): एक गेंद, एक दीर्घवृत्ताकार, एक डम्बल, दो नाशपाती के आकार के टुकड़े, दो गोलाकार टुकड़े। विखंडन के विभिन्न चरणों के दौरान नाभिक की स्थितिज ऊर्जा कैसे बदलती है? विखंडन होने के बाद, और टुकड़े एक दूसरे से उनकी त्रिज्या से कहीं अधिक दूरी पर स्थित होते हैं, टुकड़ों की संभावित ऊर्जा, उनके बीच कूलम्ब इंटरैक्शन द्वारा निर्धारित, शून्य के बराबर मानी जा सकती है।

आइए हम विखंडन के प्रारंभिक चरण पर विचार करें, जब नाभिक, बढ़ती आर के साथ, क्रांति के एक तेजी से विस्तारित दीर्घवृत्त का आकार लेता है। विभाजन के इस चरण में, r गोलाकार आकार से नाभिक के विचलन का एक माप है (चित्र 3)। नाभिक के आकार के विकास के कारण, इसकी स्थितिज ऊर्जा में परिवर्तन सतह और कूलम्ब ऊर्जा E" n + E" k के योग में परिवर्तन से निर्धारित होता है। यह माना जाता है कि नाभिक का आयतन अपरिवर्तित रहता है विरूपण प्रक्रिया के दौरान. इस मामले में, जैसे-जैसे नाभिक का सतह क्षेत्र बढ़ता है, सतह ऊर्जा E"n बढ़ती है। जैसे-जैसे नाभिकों के बीच की औसत दूरी बढ़ती है, कूलम्ब ऊर्जा E"k घटती जाती है। बता दें कि गोलाकार कोर, एक छोटे पैरामीटर की विशेषता वाले मामूली विरूपण के परिणामस्वरूप, एक अक्षीय सममित दीर्घवृत्त का आकार लेता है। यह दिखाया जा सकता है कि सतह ऊर्जा E"n और कूलम्ब ऊर्जा E"k निम्नानुसार भिन्न होती है:

छोटे दीर्घवृत्ताकार विकृतियों के मामले में, सतह ऊर्जा में वृद्धि कूलम्ब ऊर्जा में कमी की तुलना में तेजी से होती है। भारी नाभिक 2E n > E k के क्षेत्र में सतह और कूलम्ब ऊर्जा का योग बढ़ने के साथ बढ़ता है। (एफ.4) और (एफ.5) से यह निष्कर्ष निकलता है कि छोटे दीर्घवृत्ताकार विकृतियों पर, सतह ऊर्जा में वृद्धि नाभिक के आकार में और बदलाव को रोकती है, और, परिणामस्वरूप, विखंडन को रोकती है। अभिव्यक्ति (f.5) छोटे मानों (छोटी विकृतियों) के लिए मान्य है। यदि विरूपण इतना बड़ा है कि कोर एक डम्बल का आकार ले लेता है, तो सतह तनाव बल, जैसे कूलम्ब बल, कोर को अलग कर देते हैं और टुकड़ों को एक गोलाकार आकार देते हैं। इस विखंडन चरण में, तनाव में वृद्धि के साथ-साथ कूलम्ब और सतह ऊर्जा दोनों में कमी आती है। वे। नाभिक की विकृति में क्रमिक वृद्धि के साथ, इसकी स्थितिज ऊर्जा अधिकतम से होकर गुजरती है। अब r का अर्थ भविष्य के टुकड़ों के केंद्रों के बीच की दूरी है। जैसे-जैसे टुकड़े एक-दूसरे से दूर जाते हैं, उनकी परस्पर क्रिया की संभावित ऊर्जा कम हो जाएगी, क्योंकि कूलम्ब प्रतिकर्षण ऊर्जा E k कम हो जाती है, टुकड़ों के बीच की दूरी पर संभावित ऊर्जा की निर्भरता चित्र में दिखाई गई है। 4. संभावित ऊर्जा का शून्य स्तर दो गैर-अंतःक्रियात्मक टुकड़ों की सतह और कूलम्ब ऊर्जा के योग से मेल खाता है। एक संभावित अवरोध की उपस्थिति नाभिक के तात्कालिक सहज विखंडन को रोकती है। एक नाभिक को तुरंत विभाजित करने के लिए, उसे एक ऊर्जा Q प्रदान करने की आवश्यकता होती है जो अवरोध H की ऊंचाई से अधिक होती है। एक विखंडनीय नाभिक की अधिकतम संभावित ऊर्जा लगभग e 2 Z 2 /(R 1 + R 2) के बराबर होती है। जहाँ R 1 और R 2 टुकड़ों की त्रिज्याएँ हैं। उदाहरण के लिए, जब एक सोने के नाभिक को दो समान टुकड़ों में विभाजित किया जाता है, e 2 Z 2 /(R 1 + R 2) = 173 MeV, और विखंडन के दौरान निकलने वाली ऊर्जा E की मात्रा ( सूत्र देखें (f.2)), 132 मेव के बराबर। इस प्रकार, सोने के नाभिक के विखंडन के दौरान, लगभग 40 MeV की ऊंचाई वाले संभावित अवरोध को दूर करना आवश्यक है। अवरोध की ऊँचाई H जितनी अधिक होगी, प्रारंभिक नाभिक में कूलम्ब और सतह ऊर्जा E से /E p का अनुपात उतना ही कम होगा। यह अनुपात, बदले में, विभाज्यता पैरामीटर Z 2 /A बढ़ने के साथ बढ़ता है ( देखें (f.4)). नाभिक जितना भारी होगा, अवरोध H की ऊंचाई उतनी ही कम होगी , चूँकि द्रव्यमान संख्या बढ़ने के साथ विखंडनीयता पैरामीटर बढ़ता है:

वे। ड्रॉपलेट मॉडल के अनुसार, प्रकृति में Z 2 /A > 49 के साथ कोई नाभिक नहीं होना चाहिए, क्योंकि वे स्वचालित रूप से लगभग तुरंत विखंडन करते हैं (10 -22 सेकंड के क्रम के एक विशिष्ट परमाणु समय के भीतर)। Z 2/A > 49 ("स्थिरता का द्वीप") के साथ परमाणु नाभिक का अस्तित्व शेल संरचना द्वारा समझाया गया है। विखंडन पैरामीटर Z 2 /A के मान पर संभावित अवरोध H और विखंडन ऊर्जा E के आकार, ऊंचाई की निर्भरता चित्र में दिखाई गई है। 5.

Z 2/A के साथ नाभिक का सहज विखंडन< 49, для которых высота барьера Н не равна нулю, с точки зрения классической физики невозможно. С точки зрения квантовой механики такое деление возможно в результате прохождения через потенциальный барьер и носит название спонтанного деления. Вероятность спонтанного деления растет с увеличением параметра делимости Z 2 /А, т.е. с уменьшением высоты барьера. В целом период полураспада относительно спонтанного деления уменьшается при переходе от менее тяжелых ядер к более тяжелым от Т 1/2 > 10 21 वर्ष 232 Th से 0.3 s के लिए 260 Ku. Z 2/A के साथ नाभिक का बलपूर्वक विखंडन < 49 может быть вызвано любыми частицами: фотонами, нейтронами, протонами, дейтронами, -частицами и т.д., если энергия, которую они вносят в ядро достаточна для преодоления барьера деления.

कक्षा

पाठ संख्या 42-43

यूरेनियम नाभिक के विखंडन की श्रृंखला प्रतिक्रिया। परमाणु ऊर्जा और पारिस्थितिकी. रेडियोधर्मिता। हाफ लाइफ।

परमाणु प्रतिक्रियाएँ

परमाणु प्रतिक्रिया एक परमाणु नाभिक की दूसरे नाभिक या प्राथमिक कण के साथ परस्पर क्रिया की प्रक्रिया है, जिसमें नाभिक की संरचना और संरचना में परिवर्तन और द्वितीयक कणों या γ-क्वांटा की रिहाई होती है।

परमाणु प्रतिक्रियाओं के परिणामस्वरूप, नए रेडियोधर्मी आइसोटोप बन सकते हैं जो प्राकृतिक परिस्थितियों में पृथ्वी पर नहीं पाए जाते हैं।

पहली परमाणु प्रतिक्रिया 1919 में ई. रदरफोर्ड द्वारा परमाणु क्षय उत्पादों में प्रोटॉन का पता लगाने के प्रयोगों में की गई थी (देखें § 9.5)। रदरफोर्ड ने नाइट्रोजन परमाणुओं पर अल्फा कणों की बमबारी की। जब कण टकराए, तो एक परमाणु प्रतिक्रिया हुई, जो निम्नलिखित योजना के अनुसार आगे बढ़ी:

परमाणु प्रतिक्रियाओं के दौरान कई संरक्षण कानून: आवेग, ऊर्जा, कोणीय गति, आवेश। परमाणु प्रतिक्रियाओं में इन शास्त्रीय संरक्षण कानूनों के अलावा, तथाकथित का संरक्षण कानून बेरियन चार्ज(अर्थात, न्यूक्लियॉन की संख्या - प्रोटॉन और न्यूट्रॉन)। परमाणु और कण भौतिकी के लिए विशिष्ट कई अन्य संरक्षण कानून भी मान्य हैं।

परमाणु प्रतिक्रियाएँ तब हो सकती हैं जब परमाणुओं पर तेज़ आवेशित कणों (प्रोटॉन, न्यूट्रॉन, α-कण, आयन) की बमबारी होती है। इस प्रकार की पहली प्रतिक्रिया 1932 में त्वरक पर उत्पादित उच्च-ऊर्जा प्रोटॉन का उपयोग करके की गई थी:

जहां एम ए और एम बी प्रारंभिक उत्पादों के द्रव्यमान हैं, एम सी और एम डी अंतिम प्रतिक्रिया उत्पादों के द्रव्यमान हैं। मात्रा ΔM कहलाती है सामूहिक दोष. परमाणु प्रतिक्रियाएँ रिलीज़ (Q > 0) या ऊर्जा के अवशोषण (Q) के साथ हो सकती हैं< 0). Во втором случае первоначальная кинетическая энергия исходных продуктов должна превышать величину |Q|, которая называется порогом реакции.

परमाणु प्रतिक्रिया के लिए सकारात्मक ऊर्जा उत्पादन के लिए, विशिष्ट बंधन ऊर्जाप्रारंभिक उत्पादों के नाभिक में न्यूक्लियॉन अंतिम उत्पादों के नाभिक में न्यूक्लियॉन की विशिष्ट बंधन ऊर्जा से कम होना चाहिए। इसका मतलब है कि मान ΔM सकारात्मक होना चाहिए।

परमाणु ऊर्जा जारी करने के दो मौलिक रूप से भिन्न तरीके हैं।

1. भारी नाभिकों का विखंडन. नाभिक के रेडियोधर्मी क्षय के विपरीत, जो α- या β-कणों के उत्सर्जन के साथ होता है, विखंडन प्रतिक्रियाएं एक ऐसी प्रक्रिया है जिसमें एक अस्थिर नाभिक तुलनीय द्रव्यमान के दो बड़े टुकड़ों में विभाजित होता है।

1939 में, जर्मन वैज्ञानिक ओ. हैन और एफ. स्ट्रैसमैन ने यूरेनियम नाभिक के विखंडन की खोज की। फर्मी द्वारा शुरू किए गए शोध को जारी रखते हुए, उन्होंने स्थापित किया कि जब यूरेनियम पर न्यूट्रॉन की बमबारी की जाती है, तो आवर्त सारणी के मध्य भाग के तत्व उत्पन्न होते हैं - बेरियम के रेडियोधर्मी आइसोटोप (Z = 56), क्रिप्टन (Z = 36), आदि।

यूरेनियम प्रकृति में दो समस्थानिकों के रूप में पाया जाता है: (99.3%) और (0.7%)। जब न्यूट्रॉन द्वारा बमबारी की जाती है, तो दोनों आइसोटोप के नाभिक दो टुकड़ों में विभाजित हो सकते हैं। इस मामले में, विखंडन प्रतिक्रिया धीमी (थर्मल) न्यूट्रॉन के साथ सबसे अधिक तीव्रता से होती है, जबकि नाभिक केवल 1 MeV के क्रम की ऊर्जा वाले तेज न्यूट्रॉन के साथ विखंडन प्रतिक्रिया में प्रवेश करते हैं।

परमाणु ऊर्जा के लिए मुख्य रुचि एक नाभिक की विखंडन प्रतिक्रिया है। वर्तमान में, लगभग 90 से 145 तक द्रव्यमान संख्या वाले लगभग 100 अलग-अलग आइसोटोप ज्ञात हैं, जो इस नाभिक के विखंडन से उत्पन्न होते हैं। इस नाभिक की दो विशिष्ट विखंडन अभिक्रियाएँ हैं:

ध्यान दें कि न्यूट्रॉन द्वारा शुरू किया गया परमाणु विखंडन नए न्यूट्रॉन का उत्पादन करता है जो अन्य नाभिकों में विखंडन प्रतिक्रियाओं का कारण बन सकता है। यूरेनियम-235 नाभिक के विखंडन उत्पाद बेरियम, क्सीनन, स्ट्रोंटियम, रुबिडियम आदि के अन्य समस्थानिक भी हो सकते हैं।

एक यूरेनियम नाभिक के विखंडन के दौरान निकलने वाली गतिज ऊर्जा बहुत अधिक होती है - लगभग 200 MeV। परमाणु विखंडन के दौरान निकलने वाली ऊर्जा का अनुमान इसके प्रयोग से लगाया जा सकता है विशिष्ट बंधन ऊर्जानाभिक में न्यूक्लियॉन. द्रव्यमान संख्या A ≈ 240 वाले नाभिक में न्यूक्लियॉन की विशिष्ट बंधन ऊर्जा लगभग 7.6 MeV/न्यूक्लियॉन है, जबकि द्रव्यमान संख्या A = 90-145 वाले नाभिक में विशिष्ट ऊर्जा लगभग 8.5 MeV/न्यूक्लियॉन है। नतीजतन, यूरेनियम नाभिक के विखंडन से 0.9 MeV/न्यूक्लियॉन, या लगभग 210 MeV प्रति यूरेनियम परमाणु के क्रम की ऊर्जा निकलती है। 1 ग्राम यूरेनियम में निहित सभी नाभिकों के पूर्ण विखंडन से 3 टन कोयले या 2.5 टन तेल के दहन के समान ऊर्जा निकलती है।

यूरेनियम नाभिक के विखंडन उत्पाद अस्थिर होते हैं क्योंकि उनमें न्यूट्रॉन की महत्वपूर्ण अतिरिक्त संख्या होती है। दरअसल, सबसे भारी नाभिक के लिए एन/जेड अनुपात 1.6 के क्रम का है (चित्र 9.6.2), 90 से 145 तक द्रव्यमान संख्या वाले नाभिक के लिए यह अनुपात 1.3-1.4 के क्रम का है। इसलिए, खंडित नाभिक क्रमिक β--क्षय की एक श्रृंखला से गुजरते हैं, जिसके परिणामस्वरूप नाभिक में प्रोटॉन की संख्या बढ़ जाती है और स्थिर नाभिक बनने तक न्यूट्रॉन की संख्या घट जाती है।

जब यूरेनियम-235 नाभिक विखंडन होता है, जो न्यूट्रॉन के साथ टकराव के कारण होता है, तो 2 या 3 न्यूट्रॉन निकलते हैं। अनुकूल परिस्थितियों में, ये न्यूट्रॉन अन्य यूरेनियम नाभिकों से टकरा सकते हैं और उनके विखंडन का कारण बन सकते हैं। इस स्तर पर, 4 से 9 न्यूट्रॉन दिखाई देंगे, जो यूरेनियम नाभिक आदि के नए क्षय पैदा करने में सक्षम होंगे। ऐसी हिमस्खलन जैसी प्रक्रिया को श्रृंखला प्रतिक्रिया कहा जाता है। विकास योजना श्रृंखला अभिक्रियायूरेनियम नाभिक का विखंडन चित्र में दिखाया गया है। 9.8.1.

चित्र 9.8.1. एक श्रृंखला प्रतिक्रिया के विकास का आरेख।

एक शृंखला प्रतिक्रिया घटित होने के लिए, यह आवश्यक है कि तथाकथित न्यूट्रॉन गुणन कारकएक से अधिक था. दूसरे शब्दों में, प्रत्येक अगली पीढ़ी में पिछली पीढ़ी की तुलना में अधिक न्यूट्रॉन होने चाहिए। गुणन गुणांक न केवल प्रत्येक प्रारंभिक क्रिया में उत्पन्न न्यूट्रॉन की संख्या से निर्धारित होता है, बल्कि उन स्थितियों से भी निर्धारित होता है जिनके तहत प्रतिक्रिया होती है - कुछ न्यूट्रॉन अन्य नाभिक द्वारा अवशोषित किए जा सकते हैं या प्रतिक्रिया क्षेत्र छोड़ सकते हैं। यूरेनियम-235 नाभिक के विखंडन के दौरान निकलने वाले न्यूट्रॉन केवल उसी यूरेनियम के नाभिक के विखंडन का कारण बनने में सक्षम होते हैं, जो प्राकृतिक यूरेनियम का केवल 0.7% होता है। यह सांद्रता श्रृंखला प्रतिक्रिया शुरू करने के लिए अपर्याप्त है। आइसोटोप न्यूट्रॉन को भी अवशोषित कर सकता है, लेकिन इससे श्रृंखला प्रतिक्रिया नहीं होती है।

यूरेनियम में यूरेनियम-235 की बढ़ी हुई सामग्री के साथ एक श्रृंखला प्रतिक्रिया तभी विकसित हो सकती है जब यूरेनियम का द्रव्यमान तथाकथित से अधिक हो जाए क्रांतिक द्रव्यमान।यूरेनियम के छोटे टुकड़ों में, अधिकांश न्यूट्रॉन किसी भी नाभिक से टकराए बिना उड़ जाते हैं। शुद्ध यूरेनियम-235 के लिए क्रांतिक द्रव्यमान लगभग 50 किलोग्राम है। तथाकथित का उपयोग करके यूरेनियम के क्रांतिक द्रव्यमान को कई गुना कम किया जा सकता है मंदबुद्धिन्यूट्रॉन. तथ्य यह है कि यूरेनियम नाभिक के क्षय के दौरान उत्पन्न न्यूट्रॉन की गति बहुत अधिक होती है, और यूरेनियम-235 नाभिक द्वारा धीमी न्यूट्रॉन को पकड़ने की संभावना तेज न्यूट्रॉन की तुलना में सैकड़ों गुना अधिक होती है। सबसे अच्छा न्यूट्रॉन मॉडरेटर है खारा पानीडी 2 ओ। न्यूट्रॉन के साथ बातचीत करते समय, साधारण पानी स्वयं भारी पानी में बदल जाता है।

ग्रेफाइट, जिसका नाभिक न्यूट्रॉन को अवशोषित नहीं करता है, एक अच्छा मॉडरेटर भी है। ड्यूटेरियम या कार्बन नाभिक के साथ लोचदार संपर्क के दौरान, न्यूट्रॉन थर्मल गति तक धीमा हो जाते हैं।

न्यूट्रॉन मॉडरेटर और एक विशेष बेरिलियम शेल का उपयोग, जो न्यूट्रॉन को प्रतिबिंबित करता है, महत्वपूर्ण द्रव्यमान को 250 ग्राम तक कम करना संभव बनाता है।

परमाणु बमों में, एक अनियंत्रित परमाणु श्रृंखला प्रतिक्रिया तब होती है जब यूरेनियम -235 के दो टुकड़े, जिनमें से प्रत्येक का द्रव्यमान महत्वपूर्ण से थोड़ा कम होता है, तेजी से संयोजित होते हैं।

वह उपकरण जो नियंत्रित परमाणु विखंडन प्रतिक्रिया का समर्थन करता है, कहलाता है नाभिकीय(या परमाणु) रिएक्टर. धीमे न्यूट्रॉन का उपयोग करने वाले परमाणु रिएक्टर का आरेख चित्र में दिखाया गया है। 9.8.2.

चित्र 9.8.2. परमाणु रिएक्टर का आरेख.

परमाणु प्रतिक्रिया रिएक्टर कोर में होती है, जो एक मॉडरेटर से भरी होती है और यूरेनियम -235 (3% तक) की उच्च सामग्री के साथ यूरेनियम आइसोटोप के समृद्ध मिश्रण वाली छड़ों द्वारा प्रवेश की जाती है। कैडमियम या बोरॉन युक्त नियंत्रण छड़ें कोर में डाली जाती हैं, जो तीव्रता से न्यूट्रॉन को अवशोषित करती हैं। कोर में छड़ें डालने से आप श्रृंखला प्रतिक्रिया की गति को नियंत्रित कर सकते हैं।

कोर को एक पंप किए गए शीतलक का उपयोग करके ठंडा किया जाता है, जो पानी या कम पिघलने बिंदु वाला धातु हो सकता है (उदाहरण के लिए, सोडियम, जिसका पिघलने बिंदु 98 डिग्री सेल्सियस है)। भाप जनरेटर में, शीतलक तापीय ऊर्जा को पानी में स्थानांतरित करता है, इसे उच्च दबाव वाली भाप में बदल देता है। भाप को विद्युत जनरेटर से जुड़े टरबाइन में भेजा जाता है। टरबाइन से भाप कंडेनसर में प्रवेश करती है। विकिरण रिसाव से बचने के लिए, शीतलक I और भाप जनरेटर II सर्किट बंद चक्र में काम करते हैं।

परमाणु ऊर्जा संयंत्र का टरबाइन एक ऊष्मा इंजन है जो ऊष्मागतिकी के दूसरे नियम के अनुसार संयंत्र की समग्र दक्षता निर्धारित करता है। आधुनिक परमाणु ऊर्जा संयंत्रों की दक्षता लगभग समान है, इसलिए 1000 मेगावाट विद्युत ऊर्जा का उत्पादन करने के लिए, रिएक्टर की तापीय शक्ति 3000 मेगावाट तक पहुंचनी चाहिए। कंडेनसर को ठंडा करने वाले पानी द्वारा 2000 मेगावाट दूर ले जाया जाना चाहिए। इससे प्राकृतिक जलाशयों का स्थानीय रूप से अधिक गरम होना और इसके बाद पर्यावरणीय समस्याओं का उद्भव होता है।

हालाँकि, मुख्य समस्या परमाणु ऊर्जा संयंत्रों में काम करने वाले लोगों की पूर्ण विकिरण सुरक्षा सुनिश्चित करना और रिएक्टर कोर में बड़ी मात्रा में जमा होने वाले रेडियोधर्मी पदार्थों के आकस्मिक उत्सर्जन को रोकना है। परमाणु रिएक्टर विकसित करते समय इस समस्या पर अधिक ध्यान दिया जाता है। हालाँकि, कुछ परमाणु ऊर्जा संयंत्रों में दुर्घटनाओं के बाद, विशेष रूप से पेंसिल्वेनिया परमाणु ऊर्जा संयंत्र (यूएसए, 1979) और चेरनोबिल परमाणु ऊर्जा संयंत्र (1986) में, परमाणु ऊर्जा सुरक्षा की समस्या विशेष रूप से तीव्र हो गई।

ऊपर वर्णित धीमे न्यूट्रॉन पर चलने वाले परमाणु रिएक्टर के साथ-साथ, तेज़ न्यूट्रॉन पर मॉडरेटर के बिना काम करने वाले रिएक्टर बहुत व्यावहारिक रुचि के हैं। ऐसे रिएक्टरों में, परमाणु ईंधन एक समृद्ध मिश्रण होता है जिसमें कम से कम 15% आइसोटोप होता है, तेज़ न्यूट्रॉन रिएक्टरों का लाभ यह है कि उनके संचालन के दौरान, यूरेनियम -238 नाभिक, न्यूट्रॉन को अवशोषित करते हुए, दो क्रमिक β के माध्यम से प्लूटोनियम नाभिक में बदल जाते हैं। क्षय, जिसका उपयोग परमाणु ईंधन के रूप में किया जा सकता है:

ऐसे रिएक्टरों का प्रजनन कारक 1.5 तक पहुँच जाता है, अर्थात 1 किलोग्राम यूरेनियम-235 से 1.5 किलोग्राम तक प्लूटोनियम प्राप्त होता है। पारंपरिक रिएक्टर भी प्लूटोनियम का उत्पादन करते हैं, लेकिन बहुत कम मात्रा में।

पहला परमाणु रिएक्टर 1942 में ई. फर्मी के नेतृत्व में संयुक्त राज्य अमेरिका में बनाया गया था। हमारे देश में पहला रिएक्टर 1946 में आई.वी. कुरचटोव के नेतृत्व में बनाया गया था।

2. थर्मोन्यूक्लियर प्रतिक्रियाएं. परमाणु ऊर्जा जारी करने का दूसरा तरीका संलयन प्रतिक्रियाओं से जुड़ा है। जब प्रकाश नाभिक विलीन होकर एक नया नाभिक बनाता है, तो बड़ी मात्रा में ऊर्जा मुक्त होनी चाहिए। इसे विशिष्ट बंधन ऊर्जा बनाम द्रव्यमान संख्या A के वक्र से देखा जा सकता है (चित्र 9.6.1)। लगभग 60 द्रव्यमान संख्या वाले नाभिकों तक, नाभिकों की विशिष्ट बंधन ऊर्जा A बढ़ने के साथ बढ़ती है। इसलिए, A के साथ किसी भी नाभिक का संश्लेषण< 60 из более легких ядер должен сопровождаться выделением энергии. Общая масса продуктов реакции синтеза будет в этом случае меньше массы первоначальных частиц.

प्रकाश नाभिक की संलयन अभिक्रिया कहलाती है थर्मोन्यूक्लियर प्रतिक्रियाएं,चूँकि वे केवल बहुत उच्च तापमान पर ही हो सकते हैं। दो नाभिकों को संलयन प्रतिक्रिया में प्रवेश करने के लिए, उन्हें अपने सकारात्मक आरोपों के विद्युत प्रतिकर्षण पर काबू पाने के लिए 2·10-15 मीटर के क्रम की परमाणु बलों की दूरी तक एक-दूसरे के पास आना होगा। इसके लिए, अणुओं की तापीय गति की औसत गतिज ऊर्जा कूलम्ब अंतःक्रिया की संभावित ऊर्जा से अधिक होनी चाहिए। इसके लिए आवश्यक तापमान T की गणना से 10 8-10 9 K के क्रम का मान प्राप्त होता है। यह एक अत्यंत उच्च तापमान है। इस तापमान पर पदार्थ पूर्णतः आयनित अवस्था में होता है, जिसे कहते हैं प्लाज्मा.

प्रति न्यूक्लियॉन थर्मोन्यूक्लियर प्रतिक्रियाओं के दौरान निकलने वाली ऊर्जा परमाणु विखंडन की श्रृंखला प्रतिक्रियाओं में निकलने वाली विशिष्ट ऊर्जा से कई गुना अधिक होती है। उदाहरण के लिए, ड्यूटेरियम और ट्रिटियम नाभिक की संलयन प्रतिक्रिया में

3.5 MeV/न्यूक्लियॉन उत्सर्जित होता है। कुल मिलाकर, यह प्रतिक्रिया 17.6 MeV जारी करती है। यह सबसे आशाजनक थर्मोन्यूक्लियर प्रतिक्रियाओं में से एक है।

कार्यान्वयन नियंत्रित थर्मोन्यूक्लियर प्रतिक्रियाएंमानवता को ऊर्जा का एक नया पर्यावरण अनुकूल और व्यावहारिक रूप से अटूट स्रोत देगा। हालाँकि, अति-उच्च तापमान प्राप्त करना और प्लाज्मा को एक अरब डिग्री तक गर्म करना नियंत्रित थर्मोन्यूक्लियर संलयन को लागू करने के मार्ग पर सबसे कठिन वैज्ञानिक और तकनीकी कार्य का प्रतिनिधित्व करता है।

विज्ञान एवं प्रौद्योगिकी के विकास के इस चरण में ही इसे क्रियान्वित करना संभव था अनियंत्रित संलयन प्रतिक्रियाहाइड्रोजन बम में. परमाणु संलयन के लिए आवश्यक उच्च तापमान यहां पारंपरिक यूरेनियम या प्लूटोनियम बम के विस्फोट से प्राप्त किया जाता है।

ब्रह्माण्ड के विकास में थर्मोन्यूक्लियर प्रतिक्रियाएँ अत्यंत महत्वपूर्ण भूमिका निभाती हैं। सूर्य और तारों की विकिरण ऊर्जा थर्मोन्यूक्लियर मूल की है।

रेडियोधर्मिता

ज्ञात 2500 परमाणु नाभिकों में से लगभग 90% अस्थिर हैं। एक अस्थिर नाभिक अनायास ही कणों का उत्सर्जन करते हुए अन्य नाभिकों में परिवर्तित हो जाता है। नाभिक के इस गुण को कहा जाता है रेडियोधर्मिता. बड़े नाभिकों में, परमाणु बलों द्वारा न्यूक्लियॉन के आकर्षण और प्रोटॉन के कूलम्ब प्रतिकर्षण के बीच प्रतिस्पर्धा के कारण अस्थिरता उत्पन्न होती है। आवेश संख्या Z > 83 और द्रव्यमान संख्या A > 209 के साथ कोई स्थिर नाभिक नहीं होता है। लेकिन Z और A संख्या के काफी कम मान वाले परमाणु नाभिक भी रेडियोधर्मी हो सकते हैं यदि नाभिक में न्यूट्रॉन की तुलना में काफी अधिक प्रोटॉन होते हैं। तब अस्थिरता कूलम्ब अंतःक्रिया ऊर्जा की अधिकता के कारण होती है। जिन नाभिकों में प्रोटॉन की संख्या से अधिक न्यूट्रॉन होते हैं, वे इस तथ्य के कारण अस्थिर हो जाते हैं कि न्यूट्रॉन का द्रव्यमान प्रोटॉन के द्रव्यमान से अधिक होता है। नाभिक के द्रव्यमान में वृद्धि से उसकी ऊर्जा में वृद्धि होती है।

रेडियोधर्मिता की घटना की खोज 1896 में फ्रांसीसी भौतिक विज्ञानी ए. बेकरेल ने की थी, जिन्होंने पता लगाया था कि यूरेनियम लवण अज्ञात विकिरण उत्सर्जित करते हैं जो प्रकाश के लिए अपारदर्शी बाधाओं को भेद सकते हैं और फोटोग्राफिक इमल्शन को काला कर सकते हैं। दो साल बाद, फ्रांसीसी भौतिकविदों एम. और पी. क्यूरी ने थोरियम की रेडियोधर्मिता की खोज की और दो नए रेडियोधर्मी तत्वों - पोलोनियम और रेडियम की खोज की।

बाद के वर्षों में, ई. रदरफोर्ड और उनके छात्रों सहित कई भौतिकविदों ने रेडियोधर्मी विकिरण की प्रकृति का अध्ययन किया। यह पाया गया कि रेडियोधर्मी नाभिक तीन प्रकार के कणों का उत्सर्जन कर सकता है: सकारात्मक और नकारात्मक चार्ज और तटस्थ। इन तीन प्रकार के विकिरणों को α-, β- और γ-विकिरण कहा जाता था। चित्र में. चित्र 9.7.1 एक प्रयोग का आरेख दिखाता है जो रेडियोधर्मी विकिरण की जटिल संरचना का पता लगाना संभव बनाता है। चुंबकीय क्षेत्र में, α- और β-किरणें विपरीत दिशाओं में विक्षेपित होती हैं, और β-किरणें बहुत अधिक विक्षेपित होती हैं। चुंबकीय क्षेत्र में γ-किरणें बिल्कुल भी विक्षेपित नहीं होती हैं।

ये तीन प्रकार के रेडियोधर्मी विकिरण पदार्थ के परमाणुओं को आयनित करने की क्षमता और इसलिए, उनकी भेदन क्षमता में एक दूसरे से बहुत भिन्न होते हैं। α-विकिरण की भेदन क्षमता सबसे कम होती है। सामान्य परिस्थितियों में हवा में, α-किरणें कई सेंटीमीटर की दूरी तय करती हैं। β-किरणें पदार्थ द्वारा बहुत कम अवशोषित होती हैं। वे कई मिलीमीटर मोटी एल्यूमीनियम की परत से गुजरने में सक्षम हैं। γ-किरणों में सबसे बड़ी भेदन क्षमता होती है, जो 5-10 सेमी मोटी सीसे की परत से गुजरने में सक्षम होती है।

20वीं सदी के दूसरे दशक में, ई. रदरफोर्ड द्वारा परमाणुओं की परमाणु संरचना की खोज के बाद, यह दृढ़ता से स्थापित हो गया कि रेडियोधर्मिता है परमाणु नाभिक की संपत्ति. अनुसंधान से पता चला है कि α-किरणें α-कणों की एक धारा का प्रतिनिधित्व करती हैं - हीलियम नाभिक, β-किरणें इलेक्ट्रॉनों की एक धारा हैं, γ-किरणें अत्यंत कम तरंग दैर्ध्य λ के साथ लघु-तरंग विद्युत चुम्बकीय विकिरण हैं।< 10 –10 м и вследствие этого – ярко выраженными корпускулярными свойствами, то есть является потоком частиц – γ-квантов.

अल्फ़ा क्षय. अल्फा क्षय एक परमाणु नाभिक का प्रोटॉन Z और न्यूट्रॉन N की संख्या के साथ दूसरे (बेटी) नाभिक में सहज परिवर्तन है जिसमें प्रोटॉन Z - 2 और न्यूट्रॉन N - 2 की संख्या होती है। इस मामले में, एक α कण उत्सर्जित होता है - हीलियम परमाणु का नाभिक. ऐसी प्रक्रिया का एक उदाहरण रेडियम का α-क्षय है:

रेडियम परमाणुओं के नाभिक द्वारा उत्सर्जित अल्फा कणों का उपयोग रदरफोर्ड द्वारा भारी तत्वों के नाभिक द्वारा प्रकीर्णन पर प्रयोगों में किया गया था। रेडियम नाभिक के α-क्षय के दौरान उत्सर्जित α-कणों की गति, चुंबकीय क्षेत्र में प्रक्षेपवक्र की वक्रता से मापी जाती है, लगभग 1.5 · 10 7 m/s है, और संबंधित गतिज ऊर्जा लगभग 7.5 · 10 -13 J ( लगभग 4. 8 मेव)। यह मान माँ और बेटी के नाभिक और हीलियम नाभिक के द्रव्यमान के ज्ञात मूल्यों से आसानी से निर्धारित किया जा सकता है। यद्यपि भागने वाले α कण की गति बहुत अधिक है, फिर भी यह प्रकाश की गति का केवल 5% है, इसलिए गणना करते समय, आप गतिज ऊर्जा के लिए एक गैर-सापेक्षवादी अभिव्यक्ति का उपयोग कर सकते हैं।

शोध से पता चला है कि एक रेडियोधर्मी पदार्थ कई अलग-अलग ऊर्जाओं वाले अल्फा कणों का उत्सर्जन कर सकता है। यह इस तथ्य से समझाया गया है कि नाभिक, परमाणुओं की तरह, विभिन्न उत्तेजित अवस्थाओं में हो सकते हैं। α क्षय के दौरान पुत्री नाभिक इन उत्तेजित अवस्थाओं में से एक में समाप्त हो सकता है। इस नाभिक के बाद के जमीनी अवस्था में संक्रमण के दौरान, एक γ-क्वांटम उत्सर्जित होता है। गतिज ऊर्जा के दो मूल्यों के साथ α-कणों के उत्सर्जन के साथ रेडियम के α-क्षय का एक आरेख चित्र में दिखाया गया है। 9.7.2.

इस प्रकार, नाभिक का α-क्षय कई मामलों में γ-विकिरण के साथ होता है।

α-क्षय के सिद्धांत में, यह माना जाता है कि नाभिक के अंदर दो प्रोटॉन और दो न्यूट्रॉन, यानी एक α-कण से युक्त समूह बन सकते हैं। मातृ केन्द्रक α कणों के लिए है संभावित छेद, जो सीमित है संभावित बाधा. नाभिक में α कण की ऊर्जा इस अवरोध को दूर करने के लिए पर्याप्त नहीं है (चित्र 9.7.3)। नाभिक से अल्फा कण का निकलना क्वांटम यांत्रिक घटना के कारण ही संभव है जिसे कहा जाता है सुरंग प्रभाव. क्वांटम यांत्रिकी के अनुसार, किसी कण के संभावित अवरोध के नीचे से गुजरने की गैर-शून्य संभावना होती है। सुरंग खोदने की घटना प्रकृति में संभाव्य है।

बीटा क्षय.बीटा क्षय के दौरान, एक इलेक्ट्रॉन नाभिक से बाहर निकल जाता है। इलेक्ट्रॉन नाभिक के अंदर मौजूद नहीं हो सकते (देखें § 9.5); वे न्यूट्रॉन के प्रोटॉन में परिवर्तन के परिणामस्वरूप बीटा क्षय के दौरान उत्पन्न होते हैं। यह प्रक्रिया न केवल नाभिक के अंदर, बल्कि मुक्त न्यूट्रॉन के साथ भी हो सकती है। एक मुक्त न्यूट्रॉन का औसत जीवनकाल लगभग 15 मिनट है। क्षय के दौरान, एक न्यूट्रॉन एक प्रोटॉन और एक इलेक्ट्रॉन में बदल जाता है

मापों से पता चला है कि इस प्रक्रिया में ऊर्जा के संरक्षण के नियम का स्पष्ट उल्लंघन होता है, क्योंकि न्यूट्रॉन के क्षय से उत्पन्न प्रोटॉन और इलेक्ट्रॉन की कुल ऊर्जा न्यूट्रॉन की ऊर्जा से कम होती है। 1931 में, डब्ल्यू. पाउली ने सुझाव दिया कि न्यूट्रॉन के क्षय के दौरान, शून्य द्रव्यमान और आवेश वाला एक और कण निकलता है, जो ऊर्जा का कुछ हिस्सा छीन लेता है। नये कण का नाम रखा गया है न्युट्रीनो(छोटा न्यूट्रॉन)। न्यूट्रिनो में आवेश और द्रव्यमान की कमी के कारण, यह कण पदार्थ के परमाणुओं के साथ बहुत कमजोर तरीके से संपर्क करता है, इसलिए प्रयोग में इसका पता लगाना बेहद मुश्किल है। न्यूट्रिनो की आयनीकरण क्षमता इतनी कम है कि हवा में एक आयनीकरण घटना लगभग 500 किमी के रास्ते में होती है। इस कण की खोज 1953 में ही हो गई थी। अब पता चला है कि न्यूट्रिनो कई प्रकार के होते हैं। न्यूट्रॉन के क्षय के दौरान एक कण उत्पन्न होता है, जिसे कहा जाता है इलेक्ट्रॉन एंटीन्यूट्रिनो. इसे प्रतीक द्वारा दर्शाया जाता है इसलिए, न्यूट्रॉन क्षय प्रतिक्रिया को इस प्रकार लिखा जाता है

इसी तरह की प्रक्रिया β-क्षय के दौरान नाभिक के अंदर होती है। परमाणु न्यूट्रॉन में से एक के क्षय के परिणामस्वरूप बनने वाला एक इलेक्ट्रॉन तुरंत "पैतृक घर" (नाभिक) से भारी गति से बाहर निकल जाता है, जो प्रकाश की गति से केवल एक प्रतिशत के अंश से भिन्न हो सकता है। चूँकि इलेक्ट्रॉन, न्यूट्रिनो और संतति नाभिक के बीच β-क्षय के दौरान निकलने वाली ऊर्जा का वितरण यादृच्छिक होता है, इसलिए β-इलेक्ट्रॉनों की एक विस्तृत श्रृंखला में अलग-अलग वेग हो सकते हैं।

β-क्षय के दौरान, आवेश संख्या Z एक बढ़ जाती है, लेकिन द्रव्यमान संख्या A अपरिवर्तित रहती है। पुत्री नाभिक तत्व के समस्थानिकों में से एक का नाभिक बन जाता है, जिसकी आवर्त सारणी में क्रमांक मूल नाभिक की क्रमांक संख्या से एक अधिक है। β-क्षय का एक विशिष्ट उदाहरण यूरेनियम के α-क्षय से उत्पन्न थोरियम आइसोटोन का पैलेडियम में परिवर्तन है

गामा क्षय. α- और β-रेडियोधर्मिता के विपरीत, नाभिक की γ-रेडियोधर्मिता नाभिक की आंतरिक संरचना में परिवर्तन से जुड़ी नहीं है और चार्ज या द्रव्यमान संख्या में परिवर्तन के साथ नहीं है। α- और β-क्षय दोनों के दौरान, पुत्री नाभिक स्वयं को कुछ उत्तेजित अवस्था में पा सकता है और उसमें ऊर्जा की अधिकता हो सकती है। उत्तेजित अवस्था से जमीनी अवस्था में नाभिक का संक्रमण एक या अधिक γ क्वांटा के उत्सर्जन के साथ होता है, जिसकी ऊर्जा कई MeV तक पहुंच सकती है।

रेडियोधर्मी क्षय का नियम. रेडियोधर्मी पदार्थ के किसी भी नमूने में बड़ी संख्या में रेडियोधर्मी परमाणु होते हैं। चूंकि रेडियोधर्मी क्षय प्रकृति में यादृच्छिक है और बाहरी स्थितियों पर निर्भर नहीं करता है, इसलिए नाभिक की संख्या एन (टी) में कमी का नियम जो किसी निश्चित समय तक क्षय नहीं हुआ है, रेडियोधर्मी क्षय प्रक्रिया की एक महत्वपूर्ण सांख्यिकीय विशेषता के रूप में कार्य कर सकता है।

मान लीजिए अल्पावधि में क्षय न होने वाले नाभिक N(t) की संख्या में ΔN का परिवर्तन होता है Δt< 0. Так как вероятность распада каждого ядра неизменна во времени, что число распадов будет пропорционально количеству ядер N(t) и промежутку времени Δt:

आनुपातिकता गुणांक λ समय Δt = 1 s में परमाणु क्षय की संभावना है। इस सूत्र का अर्थ है कि फ़ंक्शन N(t) के परिवर्तन की दर सीधे फ़ंक्शन के समानुपाती होती है।

जहां N 0, t = 0 पर रेडियोधर्मी नाभिकों की प्रारंभिक संख्या है। समय τ = 1 / λ के दौरान, अविघटित नाभिकों की संख्या e ≈ 2.7 गुना कम हो जाएगी। मात्रा τ कहलाती है औसत जीवन कालरेडियोधर्मी नाभिक.

व्यावहारिक उपयोग के लिए, आधार के रूप में ई के बजाय संख्या 2 का उपयोग करके रेडियोधर्मी क्षय के नियम को एक अलग रूप में लिखना सुविधाजनक है:

मात्रा T कहलाती है हाफ लाइफ. समय T के दौरान, रेडियोधर्मी नाभिकों की मूल संख्या का आधा क्षय हो जाता है। मात्राएँ T और τ संबंध से संबंधित हैं

अर्ध-जीवन रेडियोधर्मी क्षय की दर को दर्शाने वाली मुख्य मात्रा है। आधा जीवन जितना छोटा होगा, क्षय उतना ही तीव्र होगा। इस प्रकार, यूरेनियम टी के लिए ≈ 4.5 अरब वर्ष, और रेडियम टी के लिए ≈ 1600 वर्ष। इसलिए, रेडियम की गतिविधि यूरेनियम की तुलना में बहुत अधिक है। ऐसे रेडियोधर्मी तत्व होते हैं जिनका आधा जीवन एक सेकंड के एक अंश से भी कम होता है।

प्राकृतिक परिस्थितियों में नहीं पाया जाता है और बिस्मथ में समाप्त होता है। रेडियोधर्मी क्षय की यह श्रृंखला होती है परमाणु रिएक्टर.

रेडियोधर्मिता का एक दिलचस्प अनुप्रयोग रेडियोधर्मी आइसोटोप की सांद्रता के आधार पर पुरातात्विक और भूवैज्ञानिक खोजों की डेटिंग की विधि है। डेटिंग का सबसे अधिक इस्तेमाल किया जाने वाला तरीका रेडियोकार्बन डेटिंग है। कॉस्मिक किरणों के कारण होने वाली परमाणु प्रतिक्रियाओं के कारण वायुमंडल में कार्बन का एक अस्थिर आइसोटोप दिखाई देता है। इस आइसोटोप का एक छोटा प्रतिशत नियमित स्थिर आइसोटोप के साथ हवा में पाया जाता है। पौधे और अन्य जीव हवा से कार्बन लेते हैं और दोनों आइसोटोप को उसी अनुपात में जमा करते हैं जैसे हवा में। पौधों के मरने के बाद, वे कार्बन का उपभोग करना बंद कर देते हैं और अस्थिर आइसोटोप धीरे-धीरे 5730 वर्षों के आधे जीवन के साथ β-क्षय के परिणामस्वरूप नाइट्रोजन में बदल जाता है। प्राचीन जीवों के अवशेषों में रेडियोधर्मी कार्बन की सापेक्ष सांद्रता को सटीक रूप से मापकर उनकी मृत्यु का समय निर्धारित किया जा सकता है।

सभी प्रकार के रेडियोधर्मी विकिरण (अल्फा, बीटा, गामा, न्यूट्रॉन), साथ ही विद्युत चुम्बकीय विकिरण (एक्स-रे) का जीवित जीवों पर बहुत मजबूत जैविक प्रभाव होता है, जिसमें परमाणुओं और अणुओं के उत्तेजना और आयनीकरण की प्रक्रियाएं शामिल होती हैं। ऊपर जीवित कोशिकाएँ। आयनकारी विकिरण के प्रभाव में, जटिल अणु और सेलुलर संरचनाएं नष्ट हो जाती हैं, जिससे शरीर को विकिरण क्षति होती है। इसलिए, विकिरण के किसी भी स्रोत के साथ काम करते समय, विकिरण के संपर्क में आने वाले लोगों की सुरक्षा के लिए सभी उपाय करना आवश्यक है।

हालाँकि, कोई व्यक्ति घर पर भी आयनकारी विकिरण के संपर्क में आ सकता है। अक्रिय, रंगहीन, रेडियोधर्मी गैस रेडॉन मानव स्वास्थ्य के लिए गंभीर खतरा पैदा कर सकता है जैसा कि चित्र में दिखाए गए चित्र से देखा जा सकता है। 9.7.5, रेडॉन रेडियम के α-क्षय का एक उत्पाद है और इसका आधा जीवन T = 3.82 दिन है। रेडियम मिट्टी, पत्थरों और विभिन्न भवन संरचनाओं में कम मात्रा में पाया जाता है। अपेक्षाकृत कम जीवनकाल के बावजूद, रेडियम नाभिक के नए क्षय के कारण रेडॉन की सांद्रता लगातार भर जाती है, इसलिए रेडॉन संलग्न स्थानों में जमा हो सकता है। एक बार फेफड़ों में, रेडॉन α-कण उत्सर्जित करता है और पोलोनियम में बदल जाता है, जो रासायनिक रूप से निष्क्रिय पदार्थ नहीं है। यूरेनियम श्रृंखला के रेडियोधर्मी परिवर्तनों की एक श्रृंखला इस प्रकार है (चित्र 9.7.5)। अमेरिकी विकिरण सुरक्षा और नियंत्रण आयोग के अनुसार, औसत व्यक्ति अपने आयनीकरण विकिरण का 55% रेडॉन से और केवल 11% चिकित्सा देखभाल से प्राप्त करता है। कॉस्मिक किरणों का योगदान लगभग 8% है। एक व्यक्ति को अपने जीवन के दौरान प्राप्त होने वाली कुल विकिरण खुराक कई गुना कम होती है अधिकतम अनुमेय खुराक(एसडीए), जो कुछ व्यवसायों में उन लोगों के लिए स्थापित किया गया है जो आयनकारी विकिरण के अतिरिक्त जोखिम के संपर्क में हैं।

परमाणु विखंडन एक भारी परमाणु का लगभग समान द्रव्यमान के दो टुकड़ों में विभाजित होना है, जिसके साथ बड़ी मात्रा में ऊर्जा निकलती है।

परमाणु विखंडन की खोज ने एक नए युग - "परमाणु युग" की शुरुआत की। इसके संभावित उपयोग की संभावना और इसके उपयोग के जोखिम-से-लाभ अनुपात ने न केवल कई सामाजिक, राजनीतिक, आर्थिक और वैज्ञानिक प्रगतियां उत्पन्न की हैं, बल्कि गंभीर समस्याएं भी उत्पन्न की हैं। विशुद्ध वैज्ञानिक दृष्टिकोण से भी, परमाणु विखंडन की प्रक्रिया ने बड़ी संख्या में पहेलियाँ और जटिलताएँ पैदा की हैं, और इसकी पूर्ण सैद्धांतिक व्याख्या भविष्य की बात है।

साझा करना लाभदायक है

अलग-अलग नाभिकों के लिए बंधन ऊर्जा (प्रति न्यूक्लियॉन) अलग-अलग होती है। भारी वस्तुओं में आवर्त सारणी के मध्य में स्थित वस्तुओं की तुलना में कम बंधनकारी ऊर्जा होती है।

इसका मतलब यह है कि 100 से अधिक परमाणु संख्या वाले भारी नाभिक को दो छोटे टुकड़ों में विभाजित होने से लाभ होता है, जिससे ऊर्जा निकलती है जो टुकड़ों की गतिज ऊर्जा में परिवर्तित हो जाती है। इस प्रक्रिया को विभाजन कहा जाता है

स्थिरता वक्र के अनुसार, जो स्थिर न्यूक्लाइड के लिए प्रोटॉन की संख्या बनाम न्यूट्रॉन की संख्या को दर्शाता है, भारी नाभिक हल्के नाभिक की तुलना में अधिक संख्या में न्यूट्रॉन (प्रोटॉन की संख्या के सापेक्ष) पसंद करते हैं। इससे पता चलता है कि विखंडन प्रक्रिया के साथ कुछ "अतिरिक्त" न्यूट्रॉन उत्सर्जित होंगे। इसके अलावा, वे जारी ऊर्जा का कुछ हिस्सा भी अवशोषित करेंगे। यूरेनियम परमाणु के नाभिक के विखंडन के एक अध्ययन से पता चला है कि 3-4 न्यूट्रॉन निकलते हैं: 238 यू → 145 ला + 90 ब्र + 3 एन।

टुकड़े का परमाणु क्रमांक (और परमाणु द्रव्यमान) मूल के परमाणु द्रव्यमान के आधे के बराबर नहीं है। विभाजन के परिणामस्वरूप बनने वाले परमाणुओं के द्रव्यमान के बीच का अंतर आमतौर पर लगभग 50 होता है। हालाँकि, इसका कारण अभी तक पूरी तरह से स्पष्ट नहीं है।

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

सहज विखंडन

प्रकृति में सहज विखंडन प्रक्रियाएं ज्ञात हैं, लेकिन वे बहुत दुर्लभ हैं। इस प्रक्रिया का औसत जीवनकाल लगभग 10 17 वर्ष है, और, उदाहरण के लिए, एक ही रेडियोन्यूक्लाइड के अल्फा क्षय का औसत जीवनकाल लगभग 10 11 वर्ष है।

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

संभावित बाधा

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

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

जबरन बंटवारा

यूरेनियम नाभिक के प्रेरित विखंडन की बहुत अधिक संभावना है। इस मामले में, मातृ नाभिक न्यूट्रॉन से विकिरणित होता है। यदि माता-पिता इसे अवशोषित करते हैं, तो वे बंधते हैं, कंपन ऊर्जा के रूप में बाध्यकारी ऊर्जा जारी 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 पर्याप्त नहीं है, परमाणु विखंडन को प्रेरित करने में सक्षम होने के लिए आपतित न्यूट्रॉन में न्यूनतम गतिज ऊर्जा होनी चाहिए। 238 यू के मामले में, अतिरिक्त न्यूट्रॉन की बंधन ऊर्जा में लगभग 1 MeV की कमी है। इसका मतलब यह है कि यूरेनियम नाभिक का विखंडन केवल 1 MeV से अधिक गतिज ऊर्जा वाले न्यूट्रॉन द्वारा प्रेरित होता है। दूसरी ओर, 235 यू आइसोटोप में एक अयुग्मित न्यूट्रॉन होता है। जब एक नाभिक एक अतिरिक्त को अवशोषित करता है, तो यह उसके साथ जुड़ जाता है, और इस युग्मन के परिणामस्वरूप अतिरिक्त बंधन ऊर्जा उत्पन्न होती है। यह संभावित अवरोध को दूर करने के लिए नाभिक के लिए आवश्यक ऊर्जा की मात्रा जारी करने के लिए पर्याप्त है और किसी भी न्यूट्रॉन के साथ टकराव पर आइसोटोप विखंडन होता है।

बीटा क्षय

भले ही विखंडन प्रतिक्रिया से तीन या चार न्यूट्रॉन उत्पन्न होते हैं, फिर भी टुकड़ों में उनके स्थिर आइसोबार की तुलना में अधिक न्यूट्रॉन होते हैं। इसका मतलब यह है कि दरार के टुकड़े बीटा क्षय के प्रति अस्थिर होते हैं।

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

ये β-क्षय श्रृंखलाएं अतिरिक्त ऊर्जा छोड़ती हैं, जिसका लगभग सारा हिस्सा इलेक्ट्रॉनों और एंटीन्यूट्रिनो द्वारा ले जाया जाता है।

परमाणु प्रतिक्रियाएँ: यूरेनियम नाभिक का विखंडन

परमाणु स्थिरता सुनिश्चित करने के लिए बहुत अधिक न्यूट्रॉन वाले न्यूक्लाइड से सीधे न्यूट्रॉन उत्सर्जन की संभावना नहीं है। यहां मुद्दा यह है कि कोई कूलम्ब प्रतिकर्षण नहीं है और इसलिए सतह ऊर्जा न्यूट्रॉन को मूल से बांधे रखती है। हालाँकि, ऐसा कभी-कभी होता है। उदाहरण के लिए, बीटा क्षय के पहले चरण में 90 Br का विखंडन टुकड़ा क्रिप्टन-90 उत्पन्न करता है, जो सतह की ऊर्जा पर काबू पाने के लिए पर्याप्त ऊर्जा के साथ उत्तेजित अवस्था में हो सकता है। इस मामले में, न्यूट्रॉन उत्सर्जन सीधे क्रिप्टन-89 के निर्माण के साथ हो सकता है। β क्षय के लिए अभी भी अस्थिर है जब तक कि यह स्थिर येट्रियम-89 नहीं बन जाता, इसलिए क्रिप्टन-89 का क्षय तीन चरणों में होता है।

यूरेनियम नाभिक का विखंडन: श्रृंखला प्रतिक्रिया

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

यह श्रृंखला प्रतिक्रिया का सिद्धांत है।

परमाणु प्रतिक्रियाओं के प्रकार

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

यदि 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 है, तो श्रृंखला प्रतिक्रिया तब तक बढ़ेगी जब तक कि सभी विखंडनीय सामग्री का उपयोग नहीं हो जाता है। यह यूरेनियम -235 की पर्याप्त बड़ी 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 बढ़ती संभावना के साथ बढ़ता है, जो गोले की त्रिज्या पर निर्भर करता है। इसलिए, द्रव्यमान U एक निश्चित मात्रा से अधिक होना चाहिए ताकि यूरेनियम नाभिक का विखंडन (श्रृंखला प्रतिक्रिया) हो सके।

यदि k = 1 है, तो एक नियंत्रित प्रतिक्रिया होती है। इसका उपयोग परमाणु रिएक्टरों में किया जाता है। इस प्रक्रिया को यूरेनियम के बीच कैडमियम या बोरान छड़ों के वितरण द्वारा नियंत्रित किया जाता है, जो अधिकांश न्यूट्रॉन को अवशोषित करते हैं (इन तत्वों में न्यूट्रॉन को पकड़ने की क्षमता होती है)। यूरेनियम नाभिक का विखंडन छड़ों को घुमाकर स्वचालित रूप से नियंत्रित किया जाता है ताकि k का मान इकाई के बराबर रहे।