Уран-235
| Уран-235 | |||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Название, символ | Уран-235, 235U | ||||||||
| Альтернативные названия | актиноура́н, AcU | ||||||||
| Нейтронов | 143 | ||||||||
| Свойства нуклида | |||||||||
| Атомная масса | 235,0439299(20)[1] а. е. м. | ||||||||
| Дефект массы | 40 920,5(18)[1] кэВ | ||||||||
| Удельная энергия связи (на нуклон) | 7 590,907(8)[1] кэВ | ||||||||
| Изотопная распространённость | 0,7200(51) %[2] | ||||||||
| Период полураспада | 7,04(1)⋅108[2] лет | ||||||||
| Продукты распада | 231Th | ||||||||
| Родительские изотопы |
235Pa (β−) 235Np (ε) 239Pu (α) |
||||||||
| Спин и чётность ядра | 7/2−[2] | ||||||||
|
|||||||||
| Таблица нуклидов | |||||||||
Ура́н-235 (англ. uranium-235), историческое название актиноура́н (лат. Actin Uranium, обозначается символом AcU) — радиоактивный нуклид химического элемента урана с атомным номером 92 и массовым числом 235. Изотопная распространённость урана-235 в природе составляет 0,7200(51) %[2]. Является родоначальником радиоактивного семейства 4n+3, называемого рядом актиния. Открыт в 1935 году в США Артуром Демпстером (англ. Arthur Jeffrey Dempster)[3][4].
В отличие от другого, наиболее распространённого изотопа урана 238U, в 235U возможна самоподдерживающаяся цепная ядерная реакция. Поэтому этот изотоп используется как топливо в ядерных реакторах, а также в ядерном оружии.
Активность одного грамма данного нуклида составляет приблизительно 80 кБк.
Именно этот уран использовался при ядерной бомбардировке Хиросимы, в бомбе «Малыш».
Образование и распад
Уран-235 образуется в результате следующих распадов:
- β−-распад нуклида 235Pa (период полураспада составляет 24,44(11)[2] мин):
- [math]\displaystyle{ \mathrm{^{235}_{91}Pa} \rightarrow \mathrm{^{235}_{92}U} + e^- + \bar{\nu}_e; }[/math]
- [math]\displaystyle{ \mathrm{^{235}_{93}Np} + e^- \rightarrow \mathrm{^{235}_{92}U} + \bar{\nu}_e; }[/math]
- [math]\displaystyle{ \mathrm{^{239}_{94}Pu} \rightarrow \mathrm{^{235}_{92}U} + \mathrm{^{4}_{2}He}. }[/math]
Распад урана-235 происходит по следующим направлениям:
- [math]\displaystyle{ \mathrm{^{235}_{92}U} \rightarrow \mathrm{^{231}_{90}Th} + \mathrm{^{4}_{2}He}; }[/math]
- Спонтанное деление (вероятность 7(2)⋅10−9 %)[2];
- Кластерный распад с образованием нуклидов 20Ne, 25Ne и 28Mg (вероятности соответственно составляют 8(4)⋅10−10 %, 8⋅10−10 %, 8⋅10−10 %)[2]:
- [math]\displaystyle{ \mathrm{^{235}_{92}U} \rightarrow \mathrm{^{215}_{82}Pb} + \mathrm{^{20}_{10}Ne}; }[/math]
- [math]\displaystyle{ \mathrm{^{235}_{92}U} \rightarrow \mathrm{^{210}_{82}Pb} + \mathrm{^{25}_{10}Ne}; }[/math]
- [math]\displaystyle{ \mathrm{^{235}_{92}U} \rightarrow \mathrm{^{207}_{80}Hg} + \mathrm{^{28}_{12}Mg}. }[/math]
Вынужденное деление
В начале 1930-х годов Энрико Ферми проводил облучение урана нейтронами, преследуя цель получить таким образом трансурановые элементы. Но в 1939 году О. Ган и Ф. Штрассман смогли показать, что при поглощении нейтрона ядром урана происходит вынужденная реакция деления. Как правило, ядро делится на два осколка, при этом высвобождается 2—3 нейтрона (см. схему)[5].
В продуктах деления урана-235 было обнаружено около 300 изотопов различных элементов: от Z = 30 (цинк) до Z = 64 (гадолиний). Кривая зависимости относительного выхода изотопов, образующихся при облучении урана-235 медленными нейтронами, от массового числа — симметрична и по форме напоминает букву «M». Два выраженных максимума этой кривой соответствуют массовым числам 95 и 134, а минимум приходится на диапазон массовых чисел от 110 до 125. Таким образом, деление урана на осколки равной массы (с массовыми числами 115—119) происходит с меньшей вероятностью, чем асимметричное деление[5], такая тенденция наблюдается у всех делящихся изотопов и не связана с какими-то индивидуальными свойствами ядер или частиц, а присуща самому механизму деления ядра. Однако асимметрия уменьшается при увеличении энергии возбуждения делящегося ядра, и при энергии нейтрона более 100 МэВ распределение осколков деления по массам имеет один максимум, соответствующий симметричному делению ядра.
Осколки, образующиеся при делении ядра урана, в свою очередь являются радиоактивными, и подвергаются цепочке β−-распадов, при которых постепенно в течение длительного времени выделяется дополнительная энергия. Средняя энергия, выделяющаяся при распаде одного ядра урана-235 с учётом распада осколков, составляет приблизительно 202,5 МэВ = 3,244⋅10−11 Дж, или 19,54 ТДж/моль = 83,14 ТДж/кг[6].
Деление ядер — лишь один из множества процессов, возможных при взаимодействии нейтронов с ядрами, именно он лежит в основе работы любого ядерного реактора[7].
Цепная ядерная реакция
При распаде одного ядра 235U обычно испускается от 1 до 8 (в среднем – 2,416) свободных нейтронов. Каждый нейтрон, образовавшийся при распаде ядра 235U, при условии взаимодействия с другим ядром 235U, может вызвать новый акт распада, это явление называется цепной реакцией деления ядра.
Гипотетически, число нейтронов второго поколения (после второго этапа распада ядер) может превышать 3² = 9. С каждым последующим этапом реакции деления количество образующихся нейтронов может нарастать лавинообразно. В реальных условиях свободные нейтроны могут не порождать новый акт деления, покидая образец до захвата 235U, или будучи захваченными как самим изотопом 235U с превращением его в 236U, так и иными материалами (например, 238U, или образовавшимися осколками деления ядер, такими как 149Sm или 135Xe).
Если в среднем каждый акт деления порождает ещё один новый акт деления, то реакция становится самоподдерживающейся; это состояние называется критическим (см. также Коэффициент размножения нейтронов).
В реальных условиях достичь критического состояния урана не так просто, поскольку на протекание реакции влияет ряд факторов. Например, природный уран лишь на 0,72 % состоит из 235U, 99,2745 % составляет 238U[2], который поглощает нейтроны, образующиеся при делении ядер 235U. Это приводит к тому, что в природном уране в настоящее время цепная реакция деления очень быстро затухает. Осуществить незатухающую цепную реакцию деления можно несколькими основными путями[5]:
- увеличить объём образца (для выделенного из руды урана возможно достижение критической массы за счёт увеличения объёма);
- осуществить разделение изотопов, повысив концентрацию 235U в образце;
- уменьшить потерю свободных нейтронов через поверхность образца с помощью применения различного рода отражателей;
- использовать вещество — замедлитель нейтронов для повышения концентрации тепловых нейтронов.
Изомеры
Известен единственный изомер 235mU со следующими характеристиками[2]:
- Избыток массы: 40 920,6(1,8) кэВ
- Энергия возбуждения: 76,5(4) эВ
- Период полураспада: 26 мин
- Спин и чётность ядра: 1/2+
Распад изомерного состояния осуществляется путём изомерного перехода в основное состояние.
Применение
- Уран-235 используется в качестве топлива для ядерных реакторов, в которых осуществляется управляемая цепная ядерная реакция деления;
- Уран с высокой степенью обогащения применяется для создания ядерного оружия. В этом случае для высвобождения большого количества энергии (взрыва) используется неуправляемая цепная ядерная реакция.
См. также
Примечания
- ↑ 1,0 1,1 1,2 1,3 1,4 Audi G., Wapstra A. H., Thibault C. The AME2003 atomic mass evaluation (II). Tables, graphs, and references (англ.) // Nuclear Physics A. — 2003. — Vol. 729. — P. 337—676. — doi:10.1016/j.nuclphysa.2003.11.003. — .
- ↑ 2,00 2,01 2,02 2,03 2,04 2,05 2,06 2,07 2,08 2,09 2,10 2,11 Audi G., Bersillon O., Blachot J., Wapstra A. H. The NUBASE evaluation of nuclear and decay properties // Nuclear Physics A. — 2003. — Т. 729. — С. 3—128. — doi:10.1016/j.nuclphysa.2003.11.001. — .
- ↑ Гофман К. Можно ли сделать золото? — 2-е изд. стер. — Л.: Химия, 1987. — С. 130. — 232 с. — 50 000 экз. Архивная копия от 9 января 2009 на Wayback Machine Архивированная копия (недоступная ссылка). Дата обращения: 26 декабря 2009. Архивировано 9 января 2009 года.
- ↑ Today in science history. Дата обращения: 26 декабря 2009. Архивировано 13 июня 2002 года.
- ↑ 5,0 5,1 5,2 Фиалков Ю. Я. Применение изотопов в химии и химической промышленности. — Киев: Техніка, 1975. — С. 87. — 240 с. — 2000 экз.
- ↑ Table of Physical and Chemical Constants, Sec 4.7.1: Nuclear Fission (недоступная ссылка). Kaye & Laby Online. Дата обращения: 26 декабря 2009. Архивировано 5 марта 2010 года.
- ↑ Бартоломей Г. Г., Байбаков В. Д., Алхутов М. С., Бать Г. А. Основы теории и методы расчета ядерных энергетических реакторов. — М.: Энергоатомиздат, 1982. — С. 512.