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 | 1/2+[2] | ||||||||
|
|||||||||
| Таблица нуклидов | |||||||||
 Медиафайлы на Викискладе | |||||||||
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 Артуром Демпстером (англ. Arthur Jeffrey Dempster)[3][4].
В отличие от другого, наиболее распространенного 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 этого нуклида составляет приблизительно 80 кБк.
Образование и распад
Уран-235 образуется в результате следующих распадов:
Распад урана-235 происходит по следующим направлениям:
- 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]:
Вынужденное деление
В начале 1930-х гг. Энрико Ферми проводил облучение урана нейтронами, преследуя цель получить таким образом трансурановые элементы. Но в 1939 г. 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
Каждый нейтрон, образовавшийся при распаде ядра урана-235, при попадании в другое ядро может вызвать образование составного ядра с дальнейшим его распадом и испусканием в среднем 2-3-х нейтронов, тогда количество нейтронов после второго этапа распада ядер будет равно, к примеру, 3² = 9. С каждым последующим этапом количество образующихся нейтронов будет нарастать лавинообразно. Это явление и называется цепной ядерной реакцией. Если такая реакция является самоподдерживающейся, то она называется критической (критическое состояние); масса вещества (в данном случае урана), необходимая для создания критического состояния, называется критической массой[5]. Однако в реальных условиях достичь критического состояния не так просто, так как на протекание реакции влияет ряд факторов. Например, природный уран лишь на 0,72 % состоит из 235U, 99,2745 % составляет уран-238[2], который поглощает нейтроны, образующиеся при делении ядер урана-235. Кроме того, при распаде 235U образуются быстрые нейтроны, в то время как сечение поглощения быстрого нейтрона ядром 235U с последующим делением существенно ниже по сравнению с сечением деления под воздействием тепловых нейтронов. Это приводит к тому, что в природном уране цепная реакция очень быстро затухает. Осуществить незатухающую цепную реакцию можно несколькими основными путями[5]:
- Осуществить разделение изотопов, повысив таким образом содержание урана-235 в образце. В этом случае потеря нейтронов будет происходить лишь через поверхность образца. Эту потерю можно предотвратить с помощью различного рода отражателей. Тем не менее, возможно достижение критического состояния и без использования отражателей — за счёт увеличения количества вещества до значения, превышающего значение критической массы;
- Более существенное влияние может оказать замедление нейтронов, выделяющихся при делении. Отношения сечений поглощения тепловых нейтронов ураном-238 и ураном-235 в зависимости от энергии делящего нейтрона выше в 25-125 раз, чем быстрых, следовательно доля нейтронов, поглощённых ураном-238 резко уменьшится[7].
Изомеры
Известен единственный изомер 235Um 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 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. — .
- ↑ 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. — .
- ↑ Гофман К. Можно ли сделать золото?. — 2-е изд. стер. — Л.: Химия, 1987. — С. 130. — 232 с. — 50 000 экз.
- ↑ Today in science history
- ↑ 1 2 3 4 Фиалков Ю. Я. Применение изотопов в химии и химической промышленности. — Киев: Техніка, 1975. — С. 87. — 240 с. — 2 000 экз.
- ↑ Table of Physical and Chemical Constants, Sec 4.7.1: Nuclear Fission. Kaye & Laby Online.
- ↑ 1 2 Бартоломей Г.Г., Байбаков В.Д., Алхутов М.С., Бать Г.А. Основы теории и методы расчета ядерных энергетических реакторов. — Москва: Энергоатомиздат, 1982. — С. 512.
 | В другом языковом разделе есть более полная статья Uranium-235 (англ.). |