«Ядерные превращения. Деление ядер» (стр. 4 из 7)
На поясняющем рисунке показано изменение потенциальной энергии и отдельных её составляющих в процессе деления заряженной капли. Энергия поверхностного натяжения резко возрастает с ростом малых деформаций (состояния 1-3) и остаётся практически неизменной после того, как капля приобретает гантелевидную форму (3-4). Энергия кулоновского взаимодействия плавно уменьшается с ростом деформаций практически во всём диапазоне состояний. Ядра, образовавшиеся после деления исходного ядра, разлетаются в противоположные стороны под действием кулоновских сил и потенциальная энергия превращается в кинетическую (4-5). В итоге суммарная потенциальная энергия возрастает до момента деления капли, а затем уменьшается.
Барьер деления
равен разности между максимальным значением потенциальной энергии и её значением для исходного состояния, именно он препятствует самопроизвольному делению тяжёлых ядер. Разность между начальным значением потенциальной энергии и её минимальным конечным значением равна энергии реакции деления 
.Энергетически выгодно деление тяжёлых ядер (
больше нуля почти для всех ядер с 
). Значения и зависят от массового числа ядра. Для ядер с 
барьер деления примерно равен 40—60 МэВ, с ростом 
значение уменьшается и для самых тяжёлых ядер становится равным приблизительно 6 МэВ. Для ядер с 
барьер деления равен практически нулю, поэтому таких ядер в природе нет. Энергия реакции деления возрастает с ростом массового числа от отрицательных значений для ядер с 
до около 200 МэВ для ядер с 
. Оценочные значения и для некоторых ядер: | A | 16 | 60 | 100 | 140 | 200 | 236 |
| , МэВ | −14,5 | −16 | 13,5 | 44 | 135 | 205 |
| , МэВ | 18,5 | 48 | 47 | 62 | 40 | 6 |
Таким образом, для реализации процесса деления с большой вероятностью ядро должно получить извне энергию, превышающую значение барьера деления. Такую энергию можно передать ядру различными способами (облучение гамма-квантами, бомбардировка частицами и др.). Из всех возможных способов практическое применение нашёл лишь один — образование возбуждённого составного ядра путём присоединения к исходному ядру нейтрона, вклад других способов деления в ядерных реакторах составляет меньше 1 %.
Деление нейтронами имеет огромное преимущество по сравнению с другими по двум причинам:
- пороговое значение кинетической энергии для нейтрона меньше, чем для гамма-кванта, приблизительно на величину
(энергия связи нейтрона в составном ядре), что следует из формулы для энергии возбуждения составного ядра; - деление ядер нейтронами сопровождается испусканием нейтронов, что создаёт основу для протекания цепной реакции деления.
Оболочечные поправки. Двугорбый барьер деления
Описание на основе капельной модели не в состоянии объяснить некоторые существенные особенности процесса деления, в частности, асимметрию масс осколков. Кроме того, параметры спонтанно делящихся ядерных изомеров и характер зависимости сечения реакции деления от энергии вызывающих её нейтронов свидетельствуют о том, что барьер деления тяжёлых ядер имеет не один, а два максимума (двугорбый барьер деления), между которыми находится вторая потенциальная яма. Эти особенности деления получают своё объяснение при учёте оболочечных поправок к энергии, вычисляемой с помощью капельной модели. Соответствующий метод был предложен Струтинским в 1966 году. Оболочечные эффекты выражаются в увеличении или уменьшении плотности уровней энергии ядра; они присущи как сферически симметричным, так и деформированным состояниям ядер. Учёт этих эффектов усложняет зависимость энергии от параметра деформации по сравнению с капельной моделью. Для большинства ядер актиноидов в этой зависимости появляется вторая потенциальная яма, соответствующая сильной деформации ядра. Глубина этой ямы меньше глубины первой ямы (соответствующей основному состоянию ядра) на 2—4 МэВ.
В общем случае деформация делящегося ядра описывается не одним, а несколькими параметрами. В таком многопараметрическом пространстве ядро может двигаться от начального состояния к точке разрыва различными путями. Такие пути называются модами (или каналами) деления. Так, в делении 235U тепловыми нейтронами выделяют три моды. Каждая мода деления характеризуется своими значениями асимметрии масс осколков деления и их полной кинетической энергии.
Спонтанное деление
В некоторых случаях ядро может делиться самопроизвольно, без взаимодействия с другими частицами. Этот процесс называется спонтанным делением. Спонтанное деление — один из основных видов распада сверхтяжёлых ядер.
Спонтанное деление ядер в основном состоянии
Делению ядер, находящихся в основном состоянии, препятствует барьер деления.
Из рассмотрения механизма деления следует, что условие большой вероятности деления (соизмеримой с вероятностями других взаимодействий нейтронов с ядром) можно записать в виде:
,то есть энергия возбуждения составного ядра должна быть не меньше барьера деления этого ядра. Деление возможно и при
, но вероятность такого процесса резко уменьшается с уменьшением энергии возбуждения.Механизм этого процесса объясняется в рамках квантовой механики и аналогичен механизму излучения α-частицы, проходящей через потенциальный барьер. Это так называемый туннельный эффект, из объяснения которого следует, что проницаемость любого энергетического барьера отлична от нуля, хотя и уменьшается с увеличением ширины и высоты барьера.
Вероятность спонтанного деления определяется в первую очередь проницаемостью барьера деления. В первом приближении (в рамках капельной модели) барьер деления уменьшается с ростом параметра деления
исчезая при 
Таким образом, вероятность спонтанного деления увеличивается с ростом заряда ядра. Для всех существующих в природе ядер вероятность и соответственно скорость спонтанного деления очень малы. Лишь для самых тяжёлых из них 
скорости увеличиваются настолько, что могут быть определены экспериментально. Например для 238U и 239Pu период полураспада для спонтанного деления 
имеет порядок величины 1016 лет, а для 235U ещё больше. | Ядро | , лет |  ,лет | Доля спонтанного деления, % |
| 235U | (1,0 ± 0,3)×1019 | (7,04 ± 0,01)×108 | 7×10−9 |
| 238U | (8,2 ± 0,1)×1015 | (4,468 ± 0,003)×109 | 5,5×10−5 |
| 239Pu | (8 ± 2)×1015 | (2,411 ± 0,003)×104 | 3×10−10 |
| 252Cf | 86 ± 1 | 2,645 ± 0,008 | 3,09 |
Спонтанные деления имеют заметное значение как фоновый источник нейтронов в реакторах, содержащих большие количества 238U, и в реакторах, в которых накапливается заметное количество 239Pu, например, в реакторах на быстрых нейтронах. Для изучения свойств спонтанного деления зачастую используются более тяжёлые нуклиды, в первую очередь 252Cf. В спонтанном делении нуклидов c
, в отличие от более лёгких ядер, превалирует симметричная мода (с примерно равными массами осколков деления).Изомеры формы
Для некоторых нуклидов с зарядовым числом от 92 до 97 (от урана до берклия) обнаружены возбуждённые состояния с малым периодом полураспада по спонтанному делению. Вероятность спонтанного деления для этих состояний превосходит вероятность спонтанного деления для основных состояний соответствующих ядер. Эти состояния соответствуют нижнему уровню энергии ядра во второй потенциальной яме. Они характеризуются высокой степенью деформации и называются изомерами формы.