Ура?н-235
(
англ.
uranium-235
), историческое название
актиноура?н
(
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
238
U
, в
235
U 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 изотоп использовался в бомбе ≪
Малыш
≫ при
ядерной бомбардировке Хиросимы
.
Уран-235 образуется в результате следующих распадов:
- K-захват
, осуществляемый нуклидом
235
Np
(период полураспада составляет 396,1(12)
[2]
дня):
Распад урана-235 происходит по следующим направлениям:
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]
.
При распаде одного ядра
235
U обычно испускается от 1 до 8 (в среднем ? 2,416) свободных нейтронов. Каждый нейтрон, образовавшийся при распаде ядра
235
U, при условии взаимодействия с другим ядром
235
U, 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
235
U, или будучи захваченными как самим изотопом
235
U с превращением его в
236
U, так и иными материалами (например,
238
U, или образовавшимися осколками деления ядер, такими как
149
Sm или
135
Xe).
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
235
U, 99,2745 % составляет
238
U
[2]
, который поглощает нейтроны, образующиеся при делении ядер
235
U. 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
235
U в образце;
- уменьшить потерю свободных нейтронов через поверхность образца с помощью применения различного рода отражателей;
- использовать вещество ?
замедлитель нейтронов
для повышения концентрации
тепловых нейтронов
.
Известен единственный
изомер
235m
U 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.
- 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.
- ↑
1
2
3
4
5
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
. ?
Bibcode
:
2003NuPhA.729..337A
.
- ↑
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
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
. ?
Bibcode
:
2003NuPhA.729....3A
.
- ↑
Гофман К.
Можно ли сделать золото?
? 2-е изд. стер. ?
Л.
: Химия, 1987. ? С. 130. ? 232 с. ?
50 000 экз.
Архивировано
9 января 2009 года.
Архивированная копия
(неопр.)
. Дата обращения: 26 декабря 2009. Архивировано 9 января 2009 года.
- ↑
Today in science history
(неопр.)
. Дата обращения: 26 декабря 2009.
Архивировано
13 июня 2002 года.
- ↑
1
2
3
Фиалков Ю. Я.
Применение изотопов в химии и химической промышленности. ? Киев: Техн?ка, 1975. ? С. 87. ? 240 с. ?
2000 экз.
- ↑
Table of Physical and Chemical Constants, Sec 4.7.1: Nuclear Fission
(неопр.)
. Kaye & Laby Online. Дата обращения: 26 декабря 2009. Архивировано из
оригинала
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.