Деление и синтез ядер

Деление и синтез ядер высвобождают большое количество энергии путем перегруппировки нуклонов в более прочно связанные конфигурации, расщепляя тяжелые ядра или объединяя легкие.

Definition

Деление ядра — это разделение тяжелого ядра на более легкие фрагменты, обычно сопровождающееся испусканием нейтронов и энергии, в то время как ядерный синтез — это объединение легких ядер в более тяжелое ядро с выделением энергии; оба процесса преобразуют различия в энергии связи ядра в полезную энергию.

Scope

Эта тема охватывает расщепление тяжелых ядер, таких как уран и плутоний, на более легкие фрагменты с выделением нейтронов и энергии, а также синтез легких ядер, таких как изотопы водорода, в более тяжелые ядра. В ней рассматриваются капельная модель деления, цепные реакции и критичность, кулоновский барьер, который должен быть преодолен при синтезе, а также условия для контролируемого и взрывного высвобождения ядерной энергии.

Core questions

• Как расщепляется тяжелое ядро и как определяется высвобождаемая энергия и количество нейтронов?
• Какие условия необходимы для поддержания контролируемой цепной реакции?
• Как легкие ядра могут преодолеть взаимное электростатическое отталкивание для слияния?
• Почему синтез питает звезды, но остается труднодостижимым на Земле?

Key concepts

• Осколки деления и эмиссия нейтронов
• Цепная реакция и критичность
• Барьер деления
• Кулоновский барьер в синтезе
• Протон-протонный цикл и CNO-цикл
• Выделение энергии и кривая энергии связи

Key theories

Капельная теория деления

Бор и Уилер смоделировали деление как деформацию и расщепление заряженной жидкой капли, объясняя конкуренцию между поверхностным натяжением и кулоновским отталкиванием, которая устанавливает барьер деления.

Звездные циклы синтеза

Бете определил протон-протонный цикл и углеродно-азотно-кислородный цикл как реакции синтеза, питающие звезды, преобразующие водород в гелий с выделением энергии.

Clinical relevance

Деление обеспечивает работу ядерных реакторов и оружия, а также производит медицинские и промышленные изотопы, в то время как синтез является движущей силой Солнца и звезд и рассматривается как потенциальный крупномасштабный источник чистой энергии в экспериментах по магнитному и инерционному удержанию.

History

Ядерное деление было открыто химически Ганом и Штрассманом в 1938 году и интерпретировано Мейтнер и Фришем в 1939 году, при этом Бор и Уилер представили теоретический механизм в том же году, что быстро привело к созданию реакторов и оружия. Параллельно Бете объяснил в 1939 году, что синтез питает звезды, и стремление к контролируемому земному синтезу продолжается с тех пор как серьезная научная и инженерная задача.

Key figures

• Lise Meitner
• Otto Frisch
• Niels Bohr
• Hans Bethe

Seminal works

• meitner1939
• bohrwheeler1939
• bethe1939

Frequently asked questions

Что такое цепная реакция?

При делении каждое расщепляющееся ядро испускает нейтроны, которые могут вызвать дальнейшие деления. Если в среднем хотя бы один высвободившийся нейтрон вызывает другое деление, реакция поддерживает себя как цепная реакция, что является основой реакторов и оружия.

Почему синтез труднее осуществить, чем деление?

Синтез требует сближения положительно заряженных ядер на достаточное расстояние для слияния, что требует очень высоких температур и давлений для преодоления их электростатического отталкивания. Деление, напротив, может быть инициировано медленным нейтроном без такого барьера.